꿈의 그래핀, 플라스틱으로 더 쉽게 만들 수 있다

- 고분자 용액의 코팅과 열처리만으로 그래핀의 특성을 가진 물질 제조

- 태양 전지, 반도체칩 등 전자소자 대량 생산 가능성 열려

전도성, 유연성, 내구성 등이 다른 물질보다 탁월한 그래핀은 꿈의 신소재로 불릴만큼 각광을 받고 있다. 그러나 생산 공정이 복잡하고 대량생산이 어려워 실생활에 활용하기 어렵다는 단점이 있다. 국내 연구진이 그래핀을 만드는 과정에서 발생하는 인공적 결함은 개선하고, 특성은 그대로인 탄소물질을 개발했다. 개발된 물질은 태양전지, 반도체 칩 등 그래핀이 쓰이는 곳에 사용할 수 있고, 이미 상용화된 공정으로 개발되어 상업화에 한층 가까워졌다. 관련 연구는 연구의 참신성을 인정받아 나노분야의 권위지인 Nanoscale의 표지 논문을 장식했다.

한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 홍경태) 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 조한익 박사팀은 전북대 유연인쇄전자공학과 나석인 교수와 한국화학연구원 김병각 박사팀과 함께 면적이 큰 CVD 그래핀이 가진 문제를 해결하고자 플라스틱의 원료인 고분자를 이용하여 그래핀과 유사한 구조와 특성을 가지면서, 투명한 탄소나노시트를 개발했다. 이번 연구 성과는 나노기술 분야의 권위지인 영국왕립화학회지의 나노스케일(Nanoscale)에 "One-step synthesis of carbon nanosheets converted from a polycylic compound and their direct use as transparent electrodes of ITO-free organic solar cells"의 제목으로 게재되었으며, 연구의 우수성 및 참신함을 인정받아 1월 21일자 권두 표지논문으로 선정되었다. <그림 1>

품질이 좋고 면적이 수 십 인치에 달하는 대(大)면적의 그래핀 제작에는 화학적 기상 증착법*이 많이 이용된다. 그러나 이 방법은 금속을 촉매로 사용해야 하기 때문에, 그래핀 제작 후에는 사용한 금속을 제거해야하고, 제작한 그래핀을 태양전지 등 다른 기판으로 옮기는 후공정(전사공정)이 반드시 필요하다. 이 때문에 주름(wrinkle) 및 균열(crack) 등의 결함(defect)이 생겨 품질이 저하된다는 단점이 있다.

* 화학적 기상 증착법 (CVD, chemical vapor deposition): 촉매 작용을 하는 금속필름의 기판위에 그래핀을 만드는 기법. ‘소스 가스’(source gas)라 불리는 가스를 기판위에 불어넣어 제작한다. 제작 후 금속을 제거해야하고, 다른 기판위에 그래핀을 이동시켜야 한다.

공동 연구팀은 기판 위에 고분자 용액을 코팅시켜 열처리를 가하는 2단계 공정으로 ‘탄소나노시트’를 개발했다. 기존 그래핀 제작 공정이 8단계였던것을 감안하면 크게 단순해진 것이다. 게다가 별도의 후처리공정 없이 태양전지 등으로 바로 사용이 가능하다<그림 2>

연구팀은 탄소 분자 내에 사다리 구조의 고분자인 PIM-1(Polymer of intrinsic microporosity-1)을 합성해, 고분자 용액을 만들었다. 엷은 초록색을 띈 고분자 용액을 기판인 석영(quarts)위에 회전시켜 골고루 뿌려 코팅한 후, 섭씨 1200도로 열처리를 하면 투명한 탄소나노시트가 만들어진다.

개발된 ‘탄소나노시트’는 단순한 제작공정으로 대량 생산이 가능할 뿐 아니라, 금속 기판을 제거하고, 생성된 그래핀을 다시 이동하는 등 기존 그래핀에서 결함을 유발하는 작업이 제거되어 품질 면에서도 우수한 것으로 나타났다. 효율성 측면에도 그래핀에 뒤지지 않는다.

KIST 조한익 박사는 “개발된 공정은 이미 상용화된 탄소섬유의 제조공정을 이차원 탄소소재 합성에 응용한 것으로, 이미 공정이 구축된 방법인 만큼 투명하고 전도성을 갖는 이차원 탄소소재의 상업화에 쉽게 이용될 수 있을 것으로 보인다”고 말했다.

이번 연구는 본 연구팀에 의해 최근에 게재된 폴리아크릴로니트릴을 이용한 탄소나노시트 (2013년 Carbon 55호 및 Applied Physics Letters 102호 게재)에 관한 후속 연구로, 탄소나노시트의 성장 메커니즘을 이해하고 더욱 간단한 제조 공정을 제시했다는 데 의의가 있다.

이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 및 한국연구재단의 연구비 지원으로 수행되었다.

○ 연구진

○ 그림자료

<그림1> 'Nanoscale'의 2014년 1월 21일자 권두 표지논문이미지, 초록색 고분자 용액이 회전하면서 코팅되는 모습, 이러한 탄소나노시트는 검은 부분으로 표현된 그래핀이 결함은 최소화하고 유사한 특성을 가진 물질이다.

<그림 2> PIM-1 고분자를 이용한 투명하고 전도성을 가진 탄소나노시트의 제작방법 및 특성. (a)는 사다리(ladder) 형태의 구조를 가지는 PIM-1 고분자 용액을 투명한 석영(quarts) 기판 위에 코팅한 다음, 고온의 열처리를 통해 탄소나노시트를 제조하고 이 위에 별도의 추가 공정 없이 유기태양전지(OSC, orgarnic solar cell)를 구성하면 태양전지 제작이 가능한다.

(b), (c), (d)는 PIM-1 고분자 농도에 기인한 탄소나노시트의 두께, 표면저항 및 투명도를 나타내는 그래프로써, 고분자 용액의 농도 제어를 통해 형성되는 탄소나노시트의 전기적, 광학적 특성들을 손쉽게 제어 가능함을 보여준다. 고분자 용액의 농도((b),(c) x축))가 높아지면 (b)그림에서 보듯 두께는 두꺼워지지만 (c)그림에서 보듯 저항이 줄어들어 전류는 더 잘 흐르게 된다.

<그림 3> 개발된 투명 탄소나노시트의 이미지 (15mm)