무결점 대 면적 그래핀 합성 기술 주목
문정희 기자 2018-04-06 13:41 0

국내 연구진이 그래핀을 가공할 때 필수적이던 전사공정을 생략하며 새로운 고품질 대면적 그래핀 합성 기술을 개발했다. 한국연구재단은 윤순길 교수(충남대학교) 연구팀이 타이타늄을 이용해 저온에서의 신개념 그래핀 합성 기술을 보고했다고 밝혔다.


꿈의 나노 물질로 불리는 그래핀은 전기전도도와 열 전도성이 높고 기계적 강도가 강하며, 유연성과 투명성도 우수하다. 그래핀은 이차전지, 디스플레이 등 다양하게 응용될 것으로 기대되며, 세계적으로 활발히 연구되고 있다.


그러나 일반적인 화학 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)으로 그래핀을 합성할 때에는 반드시 다른 기판 위에 옮기는 전사공정이 수행되는데 이때 여러 문제가 발생한다. 내부 결함, 그래핀 결정면의 영역(도메인) 크기와 경계면의 제어의 어려움, 기판과의 접착 문제, 그래핀 표면에 발생한 주름으로 인한 특성 저하 등의 극복이 필요하다.


화학 증착법은 제조공정에서 원료 증기를 기판 위에 흐르게 하고 외부에너지를 가해 박막을 형성하는 기술이다. 


연구팀은 타이타늄이 그래핀을 구성하는 탄소와 동일한 결정구조를 가지며 탄소와의 결합력도 우수한 점에 주목했다. 타이타늄으로 그래핀의 주름을 제거하는 연구성과를 활용해, 10㎚ 두께의 타이타늄 층 위에 그래핀을 합성하는 기술을 개발했다.


특히 이번 기술은 150℃의 낮은 온도에서 고품질의 그래핀을 넓은 면적으로 합성할 수 있어 공정의 효율성과 응용 가능성을 크게 개선했다.


윤순길 교수는 “이 연구는 기존 그래핀 소재의 단점을 보완한 새로운 개념의 무결점, 대면적 그래핀을 직접적으로 성장시키는 제조기술이다”라며, “그래핀이 투명하고 유연한 전자소자에 응용될 뿐만 아니라 기존의 금, 구리 등 금속 전극을 대체할 수 있도록 기여할 것이다”라고 연구의 의의를 설명했다.


이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구자) 지원으로 수행됐으며, 나노분야의 권위 있는 국제학술지 ACS 나노(ACS Nano) 2월 1일에 게재됐다.

 


(a) 타이타늄(Ti, 10㎚) 위에 저온에서 직접 성장된 그래핀 시뮬레이션 결과
(b) 150℃ 저온에서 타이타늄 층위에 직접성장된 그래핀의 라만스펙트럼과 50×50㎛2 면적의 라만 맵핑 결과 : 저온에서 고품질의 그래핀이 성장된 것을 확인했다.

 

 

★ 연구 이야기 ★

 

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. 이 연구는 2015년부터 시작했다. 그래핀은 꿈의 나노소재로 소개되면서 많은 각광을 받고 있지만 전사라는 공정으로 인해 산업화에 어려움을 겪고 있었다. 이러한 문제를 해결하고 산업체와 국가 기술에 이바지하고자 이 연구를 시작하게 됐다. 

 

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개
A. 연구책임자는 1990년 충남대학교 부임 이래로 박막에 대한 증착, 분석, 측정 시스템을 구축해 왔다. 이 연구 성과는 화학 기상 증착법에 그동안 쌓아온 노하우를 집약해 진행됐다.

 

Q. 이번 연구의 필요성. 
A. 그래핀은 다양하고 우수한 특성으로 주요 선진국의 높은 관심과 함께 체계적인 연구가 진행되고 있으며, 그래핀에 대한 시장 형성 가시화에 따라 주요국은 그래핀 관련 R&D 정책의 상용화를 통한 미래 신산업 및 신 시장 창출형 선도기술 개발로 전환하고 있다. 이러한 국제 정세에 발맞춰 빠르게 대응하기 위해서는 신 개념 그래핀 성장 원천기술 확보를 통한 기술 경쟁력 강화가 필요하다. 
화학 증착법으로 제조된 그래핀의 경우에는 다양한 기판 위에 전사가 가능하다는 장점이 있다. 그러나 전사 시 발생하는 내부결함, 그래핀 도메인 크기와 도메인 경계 제어, 기판과의 접착에 의한 특성 저하 문제, 기판에 전사 시 생기는 주름에 의한 특성 저하 문제, 공기 중 존재하는 습기와의 반응에 의한 특성 변화 문제 등 다양한 문제점들의 극복이 필요하다. 
최근 연구에 따르면 공정의 조절을 통해 대부분의 문제를 해결할 수 있으나, 전사 시 발생하는 주름을 제거한 주름이 없는 그래핀의 제조에는 현실적으로 한계가 있다. 따라서 그래핀의 응용 및 상용화를 위해서는 그래핀을 전사공정 없이 저온에서 성장시킬 수 있는 신 개념의 다양한 기판 위에서 대 면적으로 성장시킬 수 있는 직접 성장 기술 개발이 필수 불가결하다. 

 

Q. 연구하면서 어떤 장애요소가 있었고, 어떻게 해결(극복)했는지.
A. 그래핀 직접성장은 일반적으로 고품질 생산이 어려워 많은 연구자들이 노력하고 있는 분야이다. 그만큼 성과를 얻기 쉽지 않은 분야였고, 오랜 기간 동안 학생들과 함께 문헌 조사, 수많은 실험, 측정, 결과 분석을 통해 고 품질의 그래핀 성장기술을 개발할 수 있었다.

 

Q. 이번 성과는 기존과 무엇이 다른가.
A. 단순한 고품질의 그래핀 성장기술 개발이 아닌 전사공정이 필요 없는 직접성장을 고품질로 이루어냈다는 것과 유연성 고분자 기판이 사용 가능한 150℃ 저온에서 성장시켰다는 점에서 기존연구와는 큰 차별화를 가지고 있다.

 

Q. 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나. 실용화를 위한 과제는.
A. 연구팀은 그래핀 대 면적 성장을 위한 연구를 진행 중에 있으며 현재 4인치 Silicon-wafer 스케일의 대 면적 성장을 성공했다. 이들은 매우 우수한 특성을 가지고 있으며 곧 금이나 구리 등의 전극을 대체할 수 있는 응용이 기대되고, 특히 전자부품들은 습도에 매우 민감함으로 습기를 막아주는 장벽층으로 그래핀을 응용하고자 하는데 본 그래핀이 응용에 가장 적합한 특성을 갖는다. 이들의 특성이 모두 만족되면 대 면적의 대량생산, 기존 금속전극 대체뿐만 아니라 투명하고 유연한 전자정보소자 및 디스플레이 등의 응용이 가능하다. 전사가 필요 없는 그래핀 성장은 전사공정에서 발생되는 다양한 단점을 보완하고 생산 단가를 낮출 수 있어 그래핀 산업에 획기적인 전환점을 만들 수 있다.

 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은.
A. 대 면적 성장을 이루어 이들 기술을 상용화함으로써 무 전사, 대 면적 그래핀의 기술이 세계적으로 우위를 점하는 기술로 우뚝 솟아 그래핀 분야의 새로운 패러다임을 확립하고자 한다.
 

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문정희 기자
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