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세계 최초로 그래핀을 발견하고 개발하진 않았지만,
홍병희 박사는 세계 최초로 그래핀을 크게 만들어
대량생산의 가능성을 열었다고 한다.
그래핀 상용화에 불을 지핀 그 원리는 무엇인지 알아본다.
▶full영상: https://youtu.be/Z4ztvmD3T00
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세계 최초 결점 없는 그래핀 제작, 그 의미는?
하나는 꿈꾸던 장치를 만들 수 있는 신소재라는 점이고, 다른 하나는 상용화하기엔 한계가 많아 여전히 ‘꿈’의 단계에 머물러 있다는 점이다. 최근 과학 …
Source: www.ibs.re.kr
Date Published: 8/22/2022
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그래핀 실용화가 어려운 이유 – Sciencetimes – 사이언스타임즈
그래핀은 탄소 원자로 만 이루어진 탄소 동소체의 한 종류이다. 탄소 동소체를 살펴보면 다이아몬드, 흑연, 그래핀, 탄소나노튜브, 플러렌 등을 들 수 …
Source: www.sciencetimes.co.kr
Date Published: 10/10/2022
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‘꿈의 신소재’ 그래핀, 상용화 앞당긴다 – 에너지신문
[에너지신문] 지난 2004년 영국 맨체스터대가 발견한 ‘그래핀(Graphene)’은 강철보다 200배 이상 강하고, 구리보다 100배 높은 전기전도성을 가진 ‘꿈 …Source: www.energy-news.co.kr
Date Published: 9/8/2022
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‘꿈의 신소재’ 산업용 그래핀 첫 상용화되나…연내 대량생산
(대전=연합뉴스) 박주영 기자 = 한국화학연구원이 국내 중소기업과 손잡고 반도체 신소재 ‘그래핀’ 상용화에 나선다.
Source: www.yna.co.kr
Date Published: 6/30/2022
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[SEN]제일제강, KIST 그래핀 상용화 난제 해소…그래 … – 서울경제
[서울경제TV=배요한기자] 꿈의 신소재로 불리는 그래핀 상용화에 난제가 국내 연구진에 의해 해소됐다는 소식에 제일제강(023440)이 강세다.Source: www.sedaily.com
Date Published: 1/20/2021
View: 6050
철보다 200배 강력 꿈의 신소재 ‘그래핀’ 상용화 보인다
한국원자력연구원 양성자과학연구단은 하준목·여순목 박사 연구팀이 ‘이온빔 기술을 활용한 고결정성 고순도 그래핀 양자점의 건식 제조와 패터닝 …
Source: www.safetimes.co.kr
Date Published: 8/3/2022
View: 8878
그래핀 – 나무위키
그래핀의 경우 탄소 원자 3개와 결합하기 때문에 s 오비탈 1개와 p 오비탈 2개가 sp2 혼성 … 그래핀 덕분에 연료전지 상용화가 앞당겨지게 되었다.
Source: namu.wiki
Date Published: 5/11/2021
View: 4646
그래핀 상용화 걸림돌 ‘나노구멍’ 자기조립 현상으로 해결?
디스플레이에 쓰이는 발광 소재들은 공기 중의 산소 및 수분에 취약해 이를 차단하기 위한 가스 차단막이 필요하죠. 기존에는 무기물 소재를 가스 …
Source: www.astronomer.rocks
Date Published: 2/19/2021
View: 9027
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- Author: YTN 사이언스
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- Date Published: 2021. 4. 13.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=bDuO91GjjdA
세계 최초 결점 없는 그래핀 제작, 그 의미는?
낯선 사람에 가득 둘러싸이는 날, <드래곤볼>의 전투력 측정기인 ‘스카우터’가 있으면 어떨까. 스카우터는 반쪽짜리 안경에 유리 대신 투명 디스플레이가 달려 디스플레이 너머 상대방을 놓치지 않으면서도 전자 정보를 볼 수 있는 장치다. <드래곤볼>에선 스카우터에 천적의 공격력만 나오지만, 현실계에선 꼰대력과 취향 같은 성향이 표시되면 좋겠다. 새로운 사람을 만날 때 빠르게 성향을 파악해 친해질 사람인지, 당장 도망쳐야 할 사람인지 판단하는 거다. 이런 욕망을 느끼는 게 한두 명은 아닌지 MBTI 류의 성격 검사 테스트 결과를 공유하고 비교하는 일이 벌써 2년째 유행이다.
‘성향 스카우터’는 소프트웨어적인 면에서는 비현실적인 장치 같지만, 소재 면에서는 가능성 이 있는 후보가 있다. 바로 ‘그래핀’이다. 그래핀은 투명하고 얇으며 가벼우면서도 전류가 흐르는 특징이 있는 신소재다. 이런 면 때문에 ‘스카우터’와 같은 투명 디스플레이를 만들 대표적인 소재 후보로 꼽힌다. 그래핀의 장점은 여기에만 머물지 않는다. 특수 섬유와 접는 컴퓨터 등 SF영화에서 단골로 등장하는 장치를 만들 가능성이 있어 별칭이 ‘꿈의 소재’다.
그래핀은 투명 디스플레이를 만들 수 있는 신소재로 꼽힌다. 사진은 투명 디스플레이의 상상도. 출처 : Martic Eckert(플리커)
그러나 이런 별칭은 그래핀의 두 가지 얼굴을 모두 함의한다. 하나는 꿈꾸던 장치를 만들 수 있는 신소재라는 점이고, 다른 하나는 상용화하기엔 한계가 많아 여전히 ‘꿈’의 단계에 머물러 있다는 점이다. 최근 과학기술계는 그래핀을 ‘꿈’에서 ‘현실’로 가져오기 위한 갖가지 연구를 하고 있다. 그중 주목할 만한 연구가 국내에서 나왔는데, 세계 최초로 결점 없는 그래핀을 만들었다는 거다. 그래핀이 무엇이길래 여전히 상용화하기 어려울까? 또, 무결점 그래핀을 제작했다는 건 어떨 의미가 있을까. 이 글에서 살펴본다.
가벼운 방탄복, 말랑한 전자기기…
그래핀으로 가능하다
그래핀을 화학적 측면에서 설명하면, 탄소 원자들이 벌집 모양을 이루며 이어지는 2차원 물질을 말한다. 보통 ‘그래핀’이라고 하면 벌집 구조를 이루는 하나의 층만을 의미하지만, 때로는 두 개의 층으로 이뤄진 그래핀(bilayer prahene)이나 복수의 층으로 이뤄진 그래핀(multilayer graphene)을 함께 뜻하기도 한다. 하나의 층은 원자 하나의 굵기에 불과할 정도로 얇은데, 그 두께는 0.3nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 정도이다.
그래핀은 탄소 원자가 6각형을 이루며 이어지는 물질을 말한다. 하나의 탄소 원자는 세 개의 탄소 원자와 결합한다. 출처 : AlexanderAlUS(위키미디어)
이처럼 얇은 물질임에도 불구하고 탄소 원자끼리 결합하는 세기는 굉장히 크다. 탄소 원자들이 전자를 공유하는 ‘공유결합’으로 연결돼 있기 때문이다. 공유결합은 여러 화학 결합 중에서도 세기가 으뜸가는 종류다. 이런 탓에 그래핀의 강도는 단단하기로는 우주에서 손꼽히는 물질인 다이아몬드를 뛰어넘을 정도이며, 같은 얇기의 강철보다는 200배 높다. 가벼운 데다 강도가 강한 점은 <아이언맨> 등 SF영화에 등장하는 방탄복의 소재 후보로 꼽히는 이유다.
그래핀의 또다른 장점은 ‘전기전도성’이다. 전기전도성이란 전류가 잘 흐르는 정도를 의미한다. 그래핀의 전기전도성은 구리보다 100배는 뛰어나다. 구리도 금속 중 전기전도성이 좋은 편이라 전선의 주요 재료로 쓰이는데, 이보다도 그래핀이 뛰어난 것이다. 이런 이유는 두 탄소 원자가 공유하는 전자 중 일부가 그래핀 전체를 자유롭게 다니기 때문이다. 이 전자가 움직이면 전류가 흐른다.
그래핀을 더 특별하게 만드는 점은 신축성이 좋고 잘 휘어진다는 점이다. 대부분 금속은 형태가 잘 변하지 않으며 구부리려고 하면 휘기보다는 깨진다. 이런 탓에 금속으로 만든 전자기기는 대부분 딱딱하고 모양이 변하지 않는다. 반면에 그래핀은 전기전도성이 대부분 금속보다 좋으면서도 표면을 20% 늘려도 끄떡없을 정도로 신축성이 좋고, 휘어져도 전기 전도성을 잃지 않는다. 터치 기능이 있는 의류 등 웨어러블 기기에 대표적인 후보 소재로 그래핀이 꼽히는 이유다.
세계 최초 그래핀,
스카치테이프로 얻었다?
이처럼 다양한 장점으로 과학기술계의 주목을 한 몸에 받고 있는 그래핀의 역사는 1940년대로 거슬러 올라간다. 그래핀에 대한 이론은 1947년 이론물리학자 P. R. 월러스가 처음 제시했다. 월러스는 일상에서 흔히 보는 연필심의 재료인 ‘흑연’을 연구하다 그래핀을 언급했다. 왜 하필 흑연이냐면, 흑연이 바로 그래핀을 세로로 층층이 연결한 물질이기 때문이다.
과학자들은 그래핀보다 흑연을 먼저 접했기 때문에, 그래핀이라는 이름도 흑연에서 왔다. 1986년 화학자 한스 피터 보엔과 그의 동료는 흑연이라는 뜻의 ‘graphite’에 ‘ene’이라는 단어를 붙였다. 여기서 ‘ene’은 벤젠처럼 분자가 육각형 구조를 이루는 탄화수소 물질을 의미한다. 그래핀이 흑연의 일부이면서도 탄소가 벌집 모양을 이룬다는 뜻이 이름에 담겨있다.
이렇게 그래핀에 대한 이론이 나오고 이름이 생기는 동안 많은 과학자들이 그래핀을 흑연에서 분리해 직접 확인하기를 바랐다. 이를 최초로 성공한 것이 2004년인데, 예상과 달리 매우 단순한 방법을 통해서였다. 스카치테이프를 몇 번 붙였다 떼었다 한 것이 전부였던 것이다.
이 유명한 실험은 영국 맨체스터대학교의 한 실험실에서 벌어졌다. 물리학자 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프가 있던 이 실험실은 금요일 저녁마다 평소 연구와 관련이 없는 실험을 해야 하는 전통이 있었다. 그날은 “세상에서 가장 얇은 물질을 만들어 보자”는 목표로 스카치 테이프에 흑연을 붙인 뒤 테이프를 붙였다 뗐다 하기를 반복했다. 그 결과, 한 층의 그래핀이 분리되고 ‘말았다’.
그래핀을 연구했던 실험실에서 웃고 있는 안드레 가임의 모습. 출처 : cellanr(위키미디어)
두 과학자는 이 실험으로 2010년 노벨상을 받았다. 물론 그래핀 조각을 분리해낸 것만이 아니라, 그래핀의 물리적 성질을 연구한 성과가 업적으로 인정됐다. 연구팀은 실리콘으로 만든 기판에 1개 층으로 이뤄진 그래핀을 붙였다. 그러자 그래핀과 실리콘이 광학적인 상호작용을 해 일반적인 광학 현미경으로도 그래핀을 관찰할 수 있었다. 그래핀을 관찰한 결과로 연구팀은 그래핀에서 전자가 매우 활동적이라는 걸 보였다. 그래핀이 미래 전자기기의 소재 후보가 되는 데 큰 몫을 한 것이다.
그래핀, 대량생산 어려운 게 문제
가임 연구팀이 한 것처럼 흑연에서 손이나 도구를 이용해 그래핀을 한 장씩 떼어내는 방식을 ‘기계적 박리법’이라고 한다. 어렵게는 ‘미소 물리적 박리법’이라고도 부르고, 쉽게는 ‘스카치 테이프 방법’이라고도 부른다. 이런 방법의 단점은 면적이 넓은 그래핀이나 많은 양의 그래핀을 생산하기 어렵다는 점이다. 즉, 상용화의 핵심인 대량생산이 불가능하다.
이런 단점을 극복하기 위해 다양한 그래핀 생산법이 개발됐다. 그중에서 주목받는 방법 하나가 ‘화학기상증착법(CVD)’이다. CVD의 첫 번째 단계는 탄소를 포함한 여러 기체가 고온에서 화학 반응을 하면서 시작된다. 화학 반응으로 분리된 탄소는 주변에 있던 금속 기판에 붙어 그래핀을 형성한다. 그래핀이 만들어지고 나면 이 금속 기판을 녹여 그래핀만 떼어내면 된다. 이런 CVD는 기계적 박리법에 비해 그래핀의 면적을 비교적 넓게 생산할 수 있다. 가로·세로 길이를 몇 cm 수준으로 만들 수 있는 것이다.
물론 문제는 있다. CVD의 가장 큰 단점은 생산된 그래핀에 결점이 생기기 쉽다는 점이다. 먼저 그래핀이 만들어지는 과정에서 원하지 않던 물질이 붙어 티끌이 생길 수 있다. 우리가 휴대폰 액정에 필름을 붙일 때 티끌이 붙는 것처럼 말이다. 또는 온도를 높이거나 내릴 때 금속의 부피가 팽창하고 줄어드는 과정에서 금속 기판에 붙은 그래핀이 접힐 수 있다. 너무 얇다보니 탄소가 여러 층으로 겹쳐지기도 한다.
이와 같은 티끌과 접힘, 적층 현상은 CVD 공정에서 대표적으로 언급되는 결점이다. 이런 결점은 그래핀의 성능을 떨어뜨린다. 그래핀으로 만든 제품이 전기적 성능을 충분히 발휘하지 못하게 만들 거나, 접힘 부분에 균열이 발생해 강도가 떨어지기도 한다.
국내 연구진,
무결점 그래핀 만들다
따라서 기초과학연구원 다차원 탄소 재료 연구단장 로드니 루오프 공동연구팀이 무결점 그래핀을 만든 건 고성능 그래핀 상용화를 향해 한 걸음 내딛은 성과라 할 수 있다. 8월 26일 연구팀은 적층과 접힘이 없는 그래핀을 세계 최초로 개발했다고 발표했다. 이 연구는 국제 학술지 ‘네이처’에 게재됐다.
해당 연구팀은 이전에 발표했던 연구에서 적층은 없지만 접힘은 있는 그래핀을 개발했다. 당시 연구팀은 구리로 만든 금속 호일을 기판으로 사용해 CVD 공법으로 그래핀을 만들었다. 그 결과, 그래핀에 나타난 접힘은 3개 층으로 되어 있었으며, 길이는 10~100nm로 다양했다. 이런 접힘 현상은 50~100micron 간격으로 평행하게 나타났다.
연구팀은 오랜 연구 끝에 접힘 현상이 기판으로 사용된 금속을 식히는 과정에서 나타난다는 것을 깨달았다. 금속은 고온에서 팽창했다가 식을 때 다시 수축한다. 이때 금속이 수축하는 비율에 비해 금속 기판에 붙은 그래핀은 충분히 수축하지 않았다. 그래핀이 충분히 작아지지 않았으니, 남는 면적 일부가 접히는 것이다.
연구팀은 다양한 온도에서 그래핀을 만드는 실험을 반복해 접힘 현상이 일어나는 온도를 찾기로 했다. 아르곤 기체가 있는 상태에서 탄소를 포함하는 물질인 에틸렌과 수소를 섞어 고온에서 화학 반응을 일으키고, 구리와 니켈로 직접 만든 포일을 금속 기판으로 사용했다. 실험을 반복한 결과, 그래핀의 접힘 현상은 온도가 765℃ 이상일 때부터 나타나는 것으로 관찰됐다.
금속 기판의 열을 식힐 때 그래핀에 접힘 현상이 일어난다. 출처 : 과학기술정보통신부
이에 연구팀은 접힘 현상을 방지하기 위해 765℃ 이하에서 그래핀을 만들 수 있도록 실험 도구를 최적화 했다. 금속 기판을 새로 만들고, 화학 반응에 참여하는 기체도 최적화한 것이다. 그 결과, 금속을 냉각시키는 과정을 거쳐도 접힘과 적층이 모두 없는 무결점 그래핀이 합성된 것을 확인했다.
그래핀 상용화로 한 걸음 더
이번에 개발된 그래핀은 전기적 성능도 좋은 것으로 나타났다. ‘전하 이동도’가 실리콘과 비교해 7배였고, 기존 그래핀보다는 약 3배 높았다. 전하 이동도란 소재 내부에서 전자 등이 움직이는 빠르기를 말한다. 전하 이동도가 낮으면 같은 전력으로도 제품의 성능이 떨어지며, 디스플레이 등에서 색상 변환이 느려지는 현상이 발생할 수 있다. 무결점 그래핀의 뛰어난 전기적 성능은 접힘과 적층이 없는 덕에 소재의 위치나 방향에 관계없이 일정한 효율을 낼 것으로 기대된다.
연구팀은 무결점 그래핀이 대량으로 생산될 수 있다는 점도 보였다. 금속 포일을 평행하게 여러 개 쌓았을 때 그래핀 여러 장이 동시에 생성된다는 것을 보인 것이다. 연구팀은 이런 방법으로 가로 4cm, 세로 7cm크기의 무결점 그래핀 5장을 동시에 만들었다. 게다가 금속 포일을 5번 재사용해도 중량 손실이 0.0001g에 불과해 재사용이 가능하다는 점도 보였다.
앞으로 과제는 무결점 그래핀의 더 많은 장점을 발견해 산업에 응용되도록 하는 것이다. 루오프 단장은 “새로운 금속 기판을 개발하고 적층과 접힘 문제를 해결하는 등 무결점 그래핀을 개발하기 위해 7년간 연구한 끝에 결실을 맺었다”며, “앞으로 무결점 그래핀의 독특한 물성을 연구할 계획”이라고 말했다.
연구팀이 만든 접힘과 적층이 없는 무결점 그래핀의 모습. 광학 현미경(왼쪽)과 전자 현미경(오른쪽)에서 결함이 없는 모습을 볼 수 있다. (출처 : 과학기술정보통신부)
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그래핀 실용화가 어려운 이유 – Sciencetimes
그래핀은 무엇인가?
그래핀은 탄소 원자로 만 이루어진 탄소 동소체의 한 종류이다. 탄소 동소체를 살펴보면 다이아몬드, 흑연, 그래핀, 탄소나노튜브, 플러렌 등을 들 수 있다.
그중에서 그래핀은 가장 최근에 발견되었으나, 사실은 가장 기초적인 물질이라고 할 수 있다. 예를 들어 탄소 고리가 옆으로 연결되어 원자 한 층으로 이루어져 있는 그래핀을 종이 한 장으로 비유하자면 그 종이들이 차곡차곡 쌓여 이루어진 것이 흑연이다(그림1. 오른쪽).
거꾸로 말하자면 흑연에서 한 층만을 벗겨낸 것이 그래핀이다(그림1. 위쪽). 실제로 2010년에 노벨상을 받은 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프 박사팀이 그래핀을 최초로 발견한 것은 스카치테이프로 흑연에서 그래핀 층을 벗겨낸 것이었다.
흑연은 연필심을 보면 알 수 있듯이 검은색이지만, 그래핀은 무색이다. 흑연이 검은 이유는 그래핀 여러 장이 겹쳐있기 때문이며, 연필로 글씨를 쓰면 검게 나오는 이유는 흑연 여러 겹이 같이 벗겨지기 때문이다.
다이아몬드는 흑연과 그래핀의 형제지간이기는 하지만 탄소-탄소 결합이 모두 SP3 단일 결합만으로 격자 형태로 이루어져 있어서 투명하고 매우 단단한 성질을 갖게 된다. 원통형으로 말린 그래핀이 탄소나노튜브이고(그림1. 가운데) 공처럼 둥글게 말린 것이 플러렌이다 (그림1. 왼쪽).
그래핀은 SP2 결합(이중결합)의 육각형 고리가 옆으로 차곡차곡 이어져 있어 보통 평면으로 알려져 있지만 실제로는 주름이 생기거나 둥글게 말리기도 하고, 기상증착 방법으로 합성하면 오각형, 육각형, 칠각형 등의 고리가 일부 만들어지기도 하는 것으로 알려져 있다.
그래핀은 탄소로만 이루어진 물질이라고 알려져 있지만 구조적으로 가장자리에는 탄소 원자가 존재할 수 없으며, 수소 원자가 붙어있거나, 히드록시기나 카르복실기, 아민 등의 다른 여러 가지 기능기가 붙어있을 수 있다. 다양한 기능기가 붙어있으면 다른 물성을 나타내므로 그래핀 소재화에 방해가 될 수도 있고 역으로 이것을 인위적으로 잘 이용하면 원하는 기능을 구현해 낼 수도 있다.
꿈의 소재라 불리는 이유
그래핀은 다른 소재에 비하여 뛰어난 전자이동도(= 4만 cm2V−1s−1), 낮은 저항(60 ohm/sq) 및 기계적 물성(영률 = 0.5 TPa) 등의 고유 특성들을 가지고 있다. 이를 알기 쉽게 표현하면 아래와 같다.
첫 번째로 그래핀은 구리보다 전기 전도율이 100배 이상 좋다.
전기 전도율은 얼마나 전기가 잘 통하는지를 보여 주는 것이다. 일반적으로 전기가 가장 잘 통하는 금속으로 알려진 것은 은이지만 값이 비싸기 때문에 주로 구리를 이용해 전선을 만든다. 즉 그래핀으로 전선을 만들면 구리보다 100배나 더 효율적이라는 뜻이다.
두 번째로 그래핀은 다이아몬드보다 열이 더 잘 전달된다.
아름다우면서 값비싼 다이아몬드는 자연계에 존재하는 여러 물질 중에서 열전도율이 가장 높은 것으로 알려져 있다. 그래서 전자 제품에 쓰이는 반도체에서 발생하는 열을 방출하는 역할을 하는 데 최고의 물질이지만 그래핀은 이런 다이아몬드보다도 열전도율이 2 배나 더 높다.
마지막으로 그래핀은 강철보다 단단하다.
잘 부서지지 않고 단단한 강철은 일상생활에서 매우 다양하게 이용된다. 그래핀은 강철보다 200배나 더 단단하며 탄성이 매우 좋아서 휘고, 구부려도 부러지지 않는 최고의 소재다.
그래핀의 응용 가능한 소재 분야
그래핀의 특장점을 이용하면 다양한 소재로 활용이 가능하다.
그래핀은 밴드갭이 없어서 반도체 성질은 없지만, 나노리본 형태로 만들거나 기능기 등을 붙일 경우 반도체 특성을 만들어 낼 수도 있으므로 차세대 반도체 소재로 사용 가능하다.
전기전도도가 좋은 특성을 이용하여 각종 태양전지의 투명전극에 이용 가능하며, 그밖에 방열소재, 센서, 초경량 복합소재 등에 적용이 연구되고 있다.
그래핀 산업화를 위한 기술적 해결과제
대부분의 과학 연구 성과가 발표될 때마다 활용 가능성에 대해 기대를 하게 하지만, 막상 그러한 일은 그 기술이 여러 가지 문제점을 해결할 수 있다는 가정을 전제로 한 미래의 가능성에 대한 언급일 뿐이지 당장 실용화될 수 있다는 뜻은 아니다.
그동안 그래핀의 탁월한 특성과 소재 활용 가능성에 관련된 엄청난 양의 발표가 있었고 앞으로도 많은 연구결과가 발표되겠지만 그때마다 일희일비할 필요는 없다. 왜냐하면, 그래핀의 실용화를 위해서도 기본적으로 해결해야 할 많은 장애물이 있기 때문이다.
그래핀 소재의 생산과 산업적 응용을 위해서 Δ경제적이고 일관성 있는 고품질 그래핀의 대량 합성 기술 Δ산업적 기술 적용이 가능한 그래핀의 가공 및 기능화 Δ그래핀 소재 및 응용/가공 소재 품질과 특성을 구현하고 적용하는 방법 개발 등의 기술적인 문제적인 선결돼야 한다.
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‘꿈의 신소재’ 그래핀, 상용화 앞당긴다
이온빔 기술 활용, 양자점 건식 제조·패터닝 기술 개발
[에너지신문] 지난 2004년 영국 맨체스터대가 발견한 ‘그래핀(Graphene)’은 강철보다 200배 이상 강하고, 구리보다 100배 높은 전기전도성을 가진 ‘꿈의 신소재’로 불린다.그래핀을 수 나노미터(nm) 크기로 줄일 경우 반도체의 특성까지 갖게 되는데 이를 ‘그래핀 양자점’이라 한다. 전류를 흘려주거나 빛을 쪼이면 반도체처럼 빛을 발하고, 의료용으로 사용할 수 있을 만큼 인체에 무해해 의료 및 산업 분야 전반에 활용하기 위한 다양한 연구가 진행 중이다.
한국원자력연구원 양성자과학연구단은 가속기이용연구부 하준목·여순목 박사 연구팀이 ‘이온빔 기술을 활용한 고결정성 고순도 그래핀 양자점의 건식 제조 및 패터닝 기술’을 개발했다고 23일 밝혔다. 관련 연구결과는 재료 분야 권위지인 카본(Carbon)에 게재됐다.
▲ 원자력연구원 하준목, 여순목 박사(왼쪽 네 번째, 다섯 번째) 연구팀.
해당 기술은 그래핀 양자점을 만드는 새로운 건식 제조공정이다. 어떤 화학물질도 사용하지 않고 이온빔과 가열공정만으로 고결정성, 고순도 그래핀 양자점을 만들 수 있다. 기술개발은 과학기술정보통신부 이공학개인기초사업의 지원을 받아 진행됐다.
이번에 개발한 기술은 연구원 양성자과학연구단이 보유한 이온빔 조사시험시설을 적극 활용하는 것이 특징이다. 반도체 실리콘 기판의 원하는 부위에 금속이온빔을 조사해 철 나노입자를 생성한다. 철 나노입자는 섭씨 800도에서 1000도에 이르는 두 차례의 가열 공정을 거치며 그래핀 양자점을 합성하고, 고온 속에서 모두 증발되어 그래핀 양자점만을 남긴다.
연구진은 이 과정을 통해 불순물이 없는 순수한 그래핀 양자점을 정확한 위치에 제조하는 데 성공했다. 특히 양자점을 기판에 원하는 모양의 회로로 배치해 형성하는 패터닝까지 성공했는데 이는 세계 최초의 성과다. 최근 해외 일부 연구진이 그래핀 양자점 패터닝에는 성공했지만 이번처럼 순수한 그래핀 양자점 제조에는 성공하지 못했다.
일반적으로 그래핀 양자점은 흑연 덩어리를 강한 산이나 염기 등으로 잘게 깎아내는 화학적 공정을 거쳐 액체 상태로 만들어낸다. 불필요한 부산물이 포함되는 경우가 많고, 유독성 물질을 사용하기 때문에 완성된 그래핀 양자점이 인체에도 유해하다는 논란이 있다. 무엇보다 그래핀 양자점이 액체 상태로 만들어져, 패터닝이 어려워 디스플레이, 태양전지, 센서 등 산업적 활용에 제한이 있었다.
김유종 양성자과학연구단장은 “지금까지 그래핀 양자점의 상용화를 가로막던 장애물들을 이번 기술을 통해 극복할 수 있다”며 “그래핀 양자점의 산업 및 의료 분야 상용화를 앞당길 것”이라고 기대감을 전했다.
이번 연구를 이끈 하준목 선임연구원은 “인체친화적인 순수 그래핀 양자점을 어떠한 화학물질도 사용하지 않고 제조했다는 점도 중요하다”며 “중금속을 활용해 만드는 기존의 양자점을 완벽히 대체할 수 있도록 앞으로도 기술을 발전시켜 나가겠다”고 밝혔다.
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‘꿈의 신소재’ 산업용 그래핀 첫 상용화되나…연내 대량생산
화학연·엘브스지켐텍, 국내 채굴 흑연으로 생산…ｇ당 2천원
산업용 그래핀 가루와 용액을 들고 기념촬영하는 화학연 연구팀 [한국화학연구원 제공. 재판매 및 DB 금지]
(대전=연합뉴스) 박주영 기자 = 한국화학연구원이 국내 중소기업과 손잡고 반도체 신소재 ‘그래핀’ 상용화에 나선다.
화학연은 흑연에서 고품질의 산업용 그래핀을 대량생산할 수 있는 기술을 엘브스지켐텍에 기술이전 했다고 19일 밝혔다.
그래핀은 흑연의 한 층에서 떼어낸 2차원 물질로, 전기·화학적 특성이 우수해 반도체 분야 ‘꿈의 신소재’로 불린다.
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세계적으로 산업용 그래핀을 상용화하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 비용과 품질 문제 때문에 대량생산이 어려웠다.
화학연 이제욱 박사팀은 흑연 전극에 전기를 흘려보내 그래핀을 수 나노미터(㎚·10억분의 1ｍ) 두께의 매우 얇은 층으로 벗겨낼 수 있는 ‘차세대 전기화학 박리공정’을 개발했다.
벗겨진 그래핀은 장치 아래의 필터를 통해 가루 형태로 추출된다.
그래핀 추출하는 차세대 전기화학 박리공정 모식도 [한국화학연구원 제공. 재판매 및 DB 금지]
이 공정으로 1시간에 고품질의 그래핀 60ｇ을 생산할 수 있으며, 1ｇ당 가격도 2천원으로 매우 저렴하다.
기존 화학적 합성 공정으로 생산된 연구용 그래핀보다 가격과 품질 등 모든 면에서 우수하다고 연구팀은 설명했다.
화학적 합성 공정은 흑연을 강산으로 처리해 그래핀을 얻는 방식으로, 강도와 열 전도성, 전기전도도 등이 급격히 떨어지는 문제가 있다.
엘브스지켐텍의 모회사인 엘브스흑연이 국내 흑연 광산의 채굴권을 확보해 중국 수입에 의존하던 흑연을 저렴한 가격으로 공급할 수 있게 됐다. 이를 통해 올해 안에 그래핀을 대량 생산하는 것이 목표다.
생산된 그래핀은 디스플레이와 스마트폰 등 전자제품의 방열 부품, 전기자동차용 이차전지 전극 등으로 활용된다.
박철용 엘브스지켐텍 대표는 “경기 안성에 엘브스흑연 연구소를 설립하고 그래핀 양산을 위한 준비를 하고 있다”며 “목표대로 진행되면 산업용 그래핀을 상용화하는 세계 첫 사례가 될 것”이라고 말했다.
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철보다 200배 강력 꿈의 신소재 ‘그래핀’ 상용화 보인다
원자력연구원, 건식 제조와 패터닝 기술 개발
▲ 이온빔을 조사해 그래핀 양자점을 만드는 과정을 표현한 모식도. ⓒ 한국원자력연구원
한국원자력연구원 양성자과학연구단은 하준목·여순목 박사 연구팀이 ‘이온빔 기술을 활용한 고결정성 고순도 그래핀 양자점의 건식 제조와 패터닝 기술’을 개발했다고 23일 밝혔다.
그래핀(Graphene)은 강철보다 200배 이상 강하고, 구리보다 100배 높은 전기전도성을 가져 꿈의 신소재라 불린다.
그래핀을 수 나노미터로 줄이면 반도체의 특성까지 갖게 되는데 이를 ‘그래핀 양자점’이라 한다.
전류를 흘려주거나 빛을 쪼이면 반도체처럼 빛을 발하고, 의료용으로 사용할 수 있을 만큼 인체에 무해해 의료·산업 분야 전반에 활용하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
연구팀이 개발한 기술은 양성자과학연구단이 보유한 이온빔 조사시험시설을 적극 활용했다.
반도체 실리콘 기판의 원하는 부위에 금속이온빔을 조사해 철 나노입자를 생성한다. 철 나노입자는 800도~1000도에 이르는 두 차례의 가열 공장을 거치며 그래핀 양자점을 합성하고, 고온 속에서 모두 증발돼 그래핀 양자점만을 남긴다.
연구진은 이 과정을 통해 불순물이 없는 순수한 그래핀 양자점을 정확한 위치에 제조하는 데 성공했다.
양자점을 기판에 원하는 모양의 회로로 배치해 형성하는 패터닝까지 성공했다. 세계 최초다.
그래핀 양자점은 흑연 덩어리를 강한 산이나 염기 등으로 잘게 깎아내는 화학적 공정을 거쳐 액체 상태로 만들어낸다. 불필요한 부산물이 포함될 때가 많고, 유독성 물질을 사용하기 때문에 완성된 그래핀 양자점이 인체에 유해하다는 논란도 있다.
그래핀 양자점은 액체 형태로 만들어져 패닝이 어렵기 때문에 디스플레이, 태양전지 등 산업적 활용에 제한이 있었다.
김유종 양성자과학연구단장은 “지금까지 그래핀 양자점의 상용화를 가로막던 장애물들을 극복할 수 있다”며 “그래핀 양자점의 산업과 의료 분야 상용화를 앞당기겠다”고 말했다.
하준목 선임연구원은 “인체친화적이 순수 그래핀 양자점을 어떠한 화학물질도 사용하지 않고 제조했다는 점도 중요하다”며 “중금속을 활용해 만드는 기존의 양자점을 완벽히 대체할 수 있도록 기술을 발전시키겠다”고 말했다.
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그래핀 상용화 걸림돌 ‘나노구멍’ 자기조립 현상으로 해결?
디스플레이에 쓰이는 발광 소재들은 공기 중의 산소 및 수분에 취약해 이를 차단하기 위한 가스 차단막이 필요하죠. 기존에는 무기물 소재를 가스 차단막으로 이용했습니다. 그러나 여러 번 접는 폴더블 디스플레이 및 스트레처블 디스플레이에는 휘어지고 늘어지는 물성을 가진 새로운 가스 차단막 소재 개발이 필요한데요. 그래핀은 이러한 물성을 가지면서도 거의 모든 가스를 차단할 수 있는 이상적인 구조를 가진 탄소소재입니다. 하지만, 디스플레이 수준으로 크게 만드는 과정에서 생기는 수많은 나노구멍들에 의해 가스 차단성이 현저히 떨어지는 단점이 상용화에 걸림돌입니다.
최근 한국과학기술연구원 기능성복합소재연구센터 안석훈 박사 연구팀이 가천대학교 화학과 김명종 부교수, 한양대학교 화학과 강영종 교수와 공동으로 자기조립* 현상을 이용하여 그래핀의 고유특성을 유지하면서도 그래핀 박막의 나노구멍을 메우는 기술을 개발했다고 밝혔습니다.
* 그래핀 표면위에서 유기물이 스스로 정렬하는 현상
그래핀위에서 스스로 정렬된 유기분자막으로 그래핀의 나노구멍을 막아줌으로써 물분자의 이동통로를 차단하는 것을 보여주는 모식도. 출처 : KIST
연구팀은 그래핀을 대면적으로 합성하는 과정에서 발생하는 나노구멍으로 가스차단 효과가 떨어지는 문제를 해결하기 위해 긴 체인구조를 가지는 유기물질들이 그래핀 표면위에서 스스로 정렬하여 유기박막을 형성하는 자기조립 현상을 이용했습니다. 유기박막이 가스분자가 유입되는 이동통로인 그래핀의 나노구멍을 막아줌으로써 수분투과율을 기존 그래핀 가스차단막의 1/700 수준으로 낮추었습니다. 또한 유기박막의 두께를 나노미터 수준으로 제어함으로써 차세대 디스플레이 가스 차단막에 필요한 물성인 투명성과 유연성을 그래핀에서 유지할 수 있었습니다.
그래핀 3장이 적층된 가스차단막 대비 그래핀사이에 정렬된 유기물이 들어간 가스차단막의 경우 수분투과율이 1/700로 낮아져 기판대비 99.9%의 수분차단성을 보임 (좌), 가스차단성을 크게 향상시켰음에도 불구하고 그래핀의 고유 물성인 투명성과 유연성을 그대로 가지고 있는 그래핀/유기물 적층형 가스차단막 사진 (우). 출처 : KIST
KIST 안석훈 박사는 “본 연구를 통하여 개발된 유기물의 자기조립 현상을 적용하여 그래핀의 나노구멍을 메우는 기술은 그래핀의 투명하면서도 잘 휘어지는 고유특성을 유지하면서도 가스 차단성을 크게 높일 수 있다”며 “차세대 가스차단막으로 그래핀의 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 기대했습니다.
연구 결과는 나노소재 분야의 국제학술지인 ‘Nano Letters’ 최신 호에 게재되었습니다.
논문명 : Two-dimensional stacked composites of self-assembled alkane layers and graphene for transparent gas barrier films with low permeability
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