화학硏 연구진, 그래핀 상용화 앞당길 제조공정기술 개발

양초로 그래핀 제조공정서 생기는 주름·불순물 제거

홍진용 한국화학연구원 탄소산업선도연구단 박사가 양초의 주성분인 파라핀을 이용한 그래핀 전사기술을 설명하고 있다.

[아시아경제 김철현 기자] 국내 연구진이 그래핀 상용화를 앞당길 수 있는 제조공정 기술 개발에 성공했다. 양초의 주성분인 파라핀을 이용해 그래핀 전사과정에서 생기는 주름과 불순물을 없애는 신기술을 개발했다.

한국화학연구원은 탄소산업선도연구단 홍진용 박사가 MIT(메사추세츠공과대학교) 연구팀과 공동으로 그래핀을 원하는 기판으로 옮기는 과정에서 생기는 주름이나 기포, 불순물을 없앨 수 있는 기술을 개발했다고 17일 밝혔다. 그래핀은 우수한 물리적·화학적 특성으로 투명 플렉시블 디스플레이와 태양전지, 연료전지 등에 활용될 수 있는 '꿈의 신소재'로 불린다. 그동안 대량생산과 고품질화를 위한 후속 연구가 있었만 아직 상용화 문턱을 넘진 못했다.

이번에 개발된 그래핀 전사기술의 핵심은 파라핀이다. 연구진은 양초의 주성분인 파라핀을 '금속촉매-그래핀-고분자필름' 층에서 고분자필름 대신 사용해 그래핀 품질저하 문제를 해결했다. 연구진은 파라핀이 온도변화에 따라 고체와 액체로 가역적으로 변하는 현상을 그래핀 전사에 이용했다고 설명했다. 먼저 '그래핀-파라핀'으로 이뤄진 층의 파라핀에 열을 가했다. 그러자 파라핀이 액체상태로 변화하면서 열팽창이 일어나 그래핀의 주름이 펴졌다. 다음으로 액체상태의 파라핀을 차갑게 식혀 다시 고체로 변한 '그래핀-파라핀' 층을 기판으로 옮긴 후 용매를 이용해 그래핀 표면에서 파라핀을 완전히 제거했다. 파라핀과 그래핀의 반응성이 낮아 그래핀 표면에 잔여물이 남지 않았다.

실제로 원자력간현미경으로 고분자필름과 파라핀을 이용해 전사한 그래핀의 표면을 비교해보니, 고분자필름 전사 그래핀에는 나뭇잎의 잎맥처럼 보이는 주름과 입자형태의 잔여물이 있었으나, 파라핀 전사 그래핀은 주름이나 잔여물 없이 깨끗했다. 기존 고분자를 이용해 전사된 그래핀과 비교해 저항균일도 5.6배, 전자이동도 4.5배나 증가하는 등 전기적 특성이 크게 향상됐다. 이에 따라 그래핀 상용화의 걸림돌이었던 전자소자의 안정성 문제도 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

홍진용 박사는 "그동안 그래핀 상용화를 가로막았던 전사과정에서의 구조적 안정성과 그래핀 고유 특성 유지 문제를 동시에 해결했다"면서 "다양한 그래핀 응용 제품을 상용화하는 데 중요한 전환점이 될 것"이라고 말했다. 이번 연구결과는 세계 최고 권위지인 네이처의 자매지 '네이처 커뮤니케이션스'에 게재됐다.

김철현 기자 kch@asiae.co.kr