[뉴스웍스=문병도 기자] 국내 연구진이 그래핀 상용화를 앞당길 수 있는 제조공정기술 개발에 성공했다. 양초의 주성분인 파라핀을 이용해 그래핀 전사과정에서 생기는 주름과 불순물을 없애는 신기술을 개발한 것이다. 

홍진용 한국화학연구원 탄소산업선도연구단 박사는 징콩 미국 MIT 교수팀과 공동으로 그래핀을 원하는 기판으로 옮기는 과정에서 생기는 주름이나 기포, 불순물을 없앨 수 있는 기술을 개발했다. 

그래핀은 우수한 물리적‧화학적 특성으로 인해 투명 플렉시블 디스플레이와 태양전지, 연료전지 등 활용분야가 무궁무진해 ‘꿈의 신소재’로 불렸다.

대량생산과 고품질화를 위한 후속 연구가 이어졌지만 아직 상용화 문턱을 넘진 못했다.

그래핀은 흑연의 한 층으로 이뤄진 얇은 막이다.

2004년 영국의 가임과 노보셀로프 연구팀이 상온에서 투명테이브를 이용해 흑연에서 그래핀을 분리하는 데 성공했다.

실리콘보다 전자이동도가 100배 빠르고, 강철보다 강도가 200배 강하며, 다이아몬드보다 열전도성이 2배 높아 미래 신소재로 주목받았다.

초기 특성연구를 지나, 최근에는 상용화를 위한 대량생산과 고품질화 연구가 이뤄지고 있다. 

그래핀은 화학기상증착법(CVD)을 이용해 제조된다.

화학기상증착은 금속촉매 위에 그래핀을 성장시키는 것으로, 1000℃이상의 고온에서 탄소원자를 잘 흡착하는 금속촉매 표면에 탄소를 증착시켜 그래핀을 키운다.

금속촉매 표면에 합성된 그래핀을 원하는 기판에 옮기는 과정이 전사다. 대부분 그래핀 표면에 고분자 필름을 코팅해 지지층을 생성한 후 원하는 기판에 이동시키고, 최종적으로 고분자 필름과 금속촉매를 제거한다.

일반적인 고분자 필름을 이용한 전사의 경우, 그래핀 성장과정에서 불가피하게 생기는 주름을 없앨 수 없으며, 전사 후 고분자 필름 잔여물을 완전히 제거하기 어려운 탓에 그래핀 품질을 떨어트리는 결과를 초래했다.

이번에 개발된 그래핀 전사기술의 핵심은 파라핀이다.

연구진은 양초의 주성분인 파라핀을 ‘금속촉매-그래핀-고분자필름’층에서 고분자필름 대신 사용해 그래핀 품질저하 문제를 해결했다.  

파라핀은 양초의 주성분으로 알케인 탄화수소를 두루 일컫는다. 파라핀은 탄소분자로 이뤄진 탄화수소분자 혼합물로 석유나 석탄, 오일셰일에서 도출된 고체이다. 물에 녹지 않으나 에테르나 벤젠, 에스터에는 녹는다.

연구진은 파라핀이 온도변화에 따라 고체와 액체로 가역적으로 변하는 현상을 그래핀 전사에 이용했다.

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 않은 것이다. 

실제로 원자력간현미경(AFM)으로 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.

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”라면서 “다양한 그래핀 응용 제품을 상용화하는 데 중요한 전환점이 될 것”이라고 자평했다. 

과학기술정보통신부와 국가과학기술연구회에서 지원하는 신진연구자 지원사업 및 한국화학연구원 주요사업의 일환으로 진행된 이번 연구결과는 세계 최고 권위지인 네이처의 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 2월호에 게재됐다.