다양한 소재에 적용할 수 있는 '주름 그래핀'
다양한 소재에 적용할 수 있는 '주름 그래핀'
  • 이웃집과학자
  • 승인 2022.07.30 00:05
  • 조회수 1557
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그래핀의 시대가 다가오고 있습니다. 출처: fotolia
그래핀의 시대가 다가오고 있습니다. 출처: fotolia

한국표준과학연구원(KRISS)에서 주름 그래핀을 다양한 소재의 기판 위에 대면적으로 제조할 수 있는 기술을 개발됐습니다. 그간 특정 소재의 제조 기판 위에서만 사용 가능했던 주름 그래핀을 원하는 환경에 대면적으로 결합할 수 있게 됐는데요. 다양한 응용산업 분야에서 폭넓은 활용이 가능해질 전망입니다.

 

주름 그래핀이란?

그래핀은 전기와 열 전도율이 우수하고 내구성도 뛰어나 꿈의 소재로 불리는 신소재입니다. 여기에 주름 구조를 적용하면 신축성이 좋아지고 단위 부피당 표면적이 늘어나며, 광투과도, 습윤성, 전기·화학적 반응성의 제어가 가능해져 그 활용성이 극대화되는데요. 현재까지 연구된 주름 그래핀의 제조법은 주로 탄성 변형성이 큰 탄성고무나 열가소성 필름을 기판으로 이용하는 방식입니다. 기판을 늘린 상태에서 그 위에 그래핀을 전사한 후 크기를 원상태로 복원하면 그래핀에 주름이 생기는 원리죠. 

 

이 방식은 제조된 주름 그래핀에서 제조 기판을 분리하기가 사실상 불가능하다는 단점이 있습니다. 실용화에 제약이 컸습니다. 유독성 화학용재로 기판을 녹이는 방법이 유일한데 탄성고무는 이 방법으로도 녹지 않습니다. 열가소성 필름은 수 센티미터 수준의 작은 크기를 녹이는 데에도 이틀 이상이 소요되며, 그 과정에서 잔류 오염물질이 남고 주름 그래핀의 구조가 손상돼 산업적으로 활용하기 부적합하죠.

 

KRISS 연구진은 주름 그래핀을 손상시키지 않으면서도 제조 기판에서 쉽게 분리할 수 있는 기술을 개발하고, 분리한 주름 그래핀을 페트(PET)와 실리콘 고분자 소재에 전사해 성능 검증에 성공했습니다.

KRISS 연구진이 주름 그래핀의 주름 구조를 관찰하고 있다 (좌: 홍성구 책임연구원 / 우: 프라샨트 UST-KRISS 스쿨 박사과정생). 출처 : KRISS
KRISS 연구진이 주름 그래핀의 주름 구조를 관찰하고 있다 (좌: 홍성구 책임연구원 / 우: 프라샨트 UST-KRISS 스쿨 박사과정생). 출처 : KRISS

기존 기술과의 차별점

기술의 핵심은 주름 그래핀과 제조 기판 사이에 물에 쉽게 녹는 수용성 필름층을 추가하는 것입니다. 수용성 필름을 사용한 기술은 기존 “주름 그래핀 제작 기술”이 가진 기술적 한계를 해결하여 다양한 기판 소재 위에 주름 그래핀을 대면적으로 제작할 수 있게 해 주는데요. 수용성 필름이 그래핀과 제조 기판 사이의 접착력을 향상시켜 대면적 제조 시에도 주름 구조를 균일하게 제어하기 유리합니다. 유독성 화학용재 없이 물만으로도 제조 기판을 제거할 수 있어 친환경적이며, 제거 과정에서 잔류 오염물질이 남아 주름 그래핀의 성능을 떨어뜨리거나, 주름 구조를 손상시키는 부작용이 발생하지 않습니다. 또한 기존 주름 그래핀 제조법은 모두 탄성 변형성이 큰 소재(탄성 고무, 열가소성 필름 등)를 사용했지만, 이 방법은 페트(PET)와 같이 낮은 탄성 변형성을 갖는 소재에도 적용 가능합니다. 페트 기판 위에 주름 그래핀을 제작한 사례는 이번이 세계 최초이라고 합네요.

 

연구진은 수용성 필름을 사용해 제조한 주름 그래핀을 산업현장에서 널리 쓰이는 투명 소재인 페트와 실리콘 고분자 기판 위에 전사한 후 성능을 검증했습니다. 분석 결과 두 경우 모두 주름 구조의 손상이나 잔류 오염물질이 발생하지 않으면서 광투과도, 전기·기계적 특성 및 내구성이 우수함이 확인됐습니다.

실리콘 고분자(PDMS) 기판과 페트(PET) 기판에 전사한 주름 그래핀. 출처 : KRISS
실리콘 고분자(PDMS) 기판과 페트(PET) 기판에 전사한 주름 그래핀. 출처 : KRISS

연구성과 파급효과

다양한 기판 소재 위에 제작된 주름 그래핀은 우수한 신축성, 단위 부피당 표면적, 광투과도, 면저항 및 전기-기계적 내구성을 보여줌과 동시에 주름 구조 제어를 통해 습윤성, 광특성, 화학 반응성 및 밴드갭 조절 등이 가능합니다. 이런 점에서 플렉서블 투명전극, 센서, 필터, 에너지 저장 소자, 태양전지 등의 다양한 산업 분야에서 활용이 기대됩니다.

 

예를 들어 주름 구조는 빛의 산란에 의한 헤이즈 효과(haze effect)를 보여주기에 태양전지에 응용되면 광 수확 효율(light-harvesting efficiency)을 향상시키고, 발광 다이오드(light-emitting diode)의 광 추출 효율(light extraction efficiency)을 향상시킬 수 있습니다.

 

KRISS 소재융합측정연구소 홍성구 책임연구원은 “이번 기술은 제조업에서 흔히 쓰이는 롤 공정을 채택해, 주름 그래핀을 다양한 응용분야에서 저비용·대면적으로 활용할 실마리가 될 것”이라고 밝혔습니다.

 

이번 연구의 성과는 국내와 미국에서 특허 출원을 완료했으며, 6월 나노분야 국제학술지 ACS Nano에 게재됐습니다.

논문명 : Structural Integrity Preserving and Residue-Free Transfer of Large-Area Wrinkled Graphene onto Polymeric Substrates

특허(미국): Wrinkled Graphene Substrate and Method for Manufacturing the Same (출원번호 17/649,092)

특허(국내): 주름 그래핀 기판 및 그 제조 방법 (출원번호 10-2021-0015559)

 

#용어 설명 

1. 그래핀

탄소 원자로 이뤄진 탄소 동소체의 한 종류. 구리보다 전기 전도율이 100배 이상 우수하고 강철보다 200배 단단하며 열전도율도 높아 “꿈의 소재”라 불리는 신소재. 

2. 주름 그래핀

그래핀에 주름 구조를 인위적으로 제작하여 만든 그래핀.

3. 탄성 변형성

작용하는 외력을 제거 시 원래 상태로 되돌아올 수 있는 소재의 능력.

4. 열가소성 필름

 열을 가하면 원래의 상태로 되돌아가는 특성을 가진 필름.

5. 전사(transfer)

제조분야 용어로, 일정한 패턴 혹은 얇은 필름층 등을 원하는 대상 위에 옮기는 것을 의미. 

6. 롤(roll) 기반 전사 공정

롤을 회전시켜 전사필름 표면에 위치한 소재를 원하는 기판 위에 옮기는 공정.

7. 실리콘 고분자

규소와 산소의 결합(...-Si-O-Si-O-...)을 주축으로 하는 중합체.

8. 플렉서블 투명전극

유연하면서 투명하고 전기가 통하는 필름으로 스마트폰, 스마트 워치 등 디스플레이를 사용하는 전자기기에 필수적인 부품.


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