그래핀(Graphene)은 구조적, 화학적으로 매우 안정되고, 실리콘보다 100배의 전기전도성을 지니며, 강철보다 200배 큰 강도와 유연성을 갖고 있어 꿈의 신소재로 각광받고 있습니다. 대면적 플렉시블 그래핀 투명필름 사진 (a) 본 연구에서 개발한 그래핀 필름 코팅 방법 모식도 (b) 유리기판(2.5×7.5 cm2)에 코팅된 그래핀 필름 사진
자유자재로 구부려 두루마리처럼 휴대할 수 있는 넓은 면적의 디스플레이나 전자소자, 기판 등을 개발하기 위해서는 용액상태의 그래핀 산화물을 원하는 넓은 기판에 고르게 코팅하는 기술이 매우 중요합니다.
그러나 지금까지 그래핀 산화물을 이용한 투명필름(콜로이드 입자 코팅방법 사용)은 그래핀 산화물 조각들의 엉김현상으로 인해 균일한 대면적의 필름을 만들기 어려웠습니다.
또한 코팅을 위해 최대 수백 ㎖의 그래핀 용액이 필요하거나, 필름을 원하는 기판에 전사하는 과정이 요구되는 등 단점들이 있었습니다.
□ 아주 적은 양의 그래핀 용액으로 11인치의 대면적 투명 필름을 제작하는 새로운 코팅기술이 개발됐습니다.
중앙대 장석태 교수팀은 화학적 산화법으로 만들어진 기존대비 일만 분의 일에 불과한 극소량의 그래핀 용액(1㎕)으로 얇으면서도 균일한 대면적의 투명한 필름을 다양한 기판 위에서 제작할 수 있는 새로운 코팅기술을 개발했습니다.
필름의 두께는 1㎚(10억 분의 1m)에 불과합니다.
연구팀은 유리기판(증착판)과 코팅기판을 일정한 각도로 놓은 후 모세관 현상을 이용하여 그 사이에 극소량의 그래핀 용액을 주입하고, 증착판에 선형왕복운동을 실시하여 간편하게 균일한 그래핀 필름을 제작했습니다.
그래핀 필름의 두께는 왕복횟수, 이동속도, 그래핀 용액의 농도, 두 기판 사이의 각도에 따라 나노미터 수준으로 정확히 조절할 수 있고, 증착판의 넓이와 이동거리를 증가시켜 손쉽게 대면적의 그래핀 투명필름을 만들어 냈습니다.
이 기술은 그래핀 용액 사용량을 획기적으로 줄였고, 매우 간단하게 그래핀 필름을 나노미터 두께로 얇게 만들 수 있으며, 전사과정 없이 다양한 기판(유리, PET, 실리콘 등)에 직접 코팅하여 대면적으로 만들 수 있는 장점이 있습니다.
장석태 교수가 주도한 이번 연구에는 고영운 학부생(제1저자)와 김남희 학부생, 김수영 중앙대 교수 등이 참여했습니다.
연구결과는 재료분야의 권위 있는 학술지인 'Journal of Materials Chemistry'지에 온라인 속보(1월 16일자)로 게재되었습니다.
(논문명 : Microlitre scale solution processing for controlled, rapid fabrication of chemically derived graphene thin films)
| <연 구 개 요>
그래핀은 탄소원자들이 sp2 혼성 결합의 벌집모양을 이루면서 한 층으로 이루어진 2차원 구조의 신소재이다. 그래핀의 제조 방법 중 하나인 화학적 박리법은 산화제 혹은 계면활성제를 이용하여 흑연을 용액상태에서 화학적으로 한 층씩 분리해내는 방법이다. 화학적으로 박리된 그래핀 산화물을 투명전극, 터치패널, 플렉시블 디스플레이, 고감도 센서 등에 응용하기 위해서는, 용액상태에서 존재하는 그래핀 산화물을 원하는 기판위에 고르게 코팅시키는 것이 가장 중요한 기술이다. 본 연구팀이 그래핀 투명전극 제작을 위해 사용한 방법은 <그림1>에서 보이는 바와 같이 유리기판(증착판, deposition plate)을 다양한 코팅기판(유리, 실리콘, 플라스틱 등)에 일정한 각도로 위치시키고, 두 기판 사이에 모세관 현상을 이용하여 그래핀 용액(코팅기판 1cm당 ~16μL)을 주입하여 메니스커스(meniscus)를 형성시켰다. (b) 코팅횟수에 따른 그래핀 필름 두께, (c) 그래핀 용액 농도에 따른 그래핀 필름 두께. 코팅횟수와 그래핀 용액 농도에 따른 그래핀 투명전극의 면저항 및 투명도' height=672> 더불어, 그래핀 투명 필름 제작을 위해 그래핀 필름의 전사과정 필요 없이 다양한 기판에 직접 코팅이 가능하여, 유리기판 외에 PET, PDMS, 실리콘 웨이퍼 등에 그래핀 필름을 구현할 수 있음을 확인하였다.  MDD 코팅 방법을 통한 대면적 플렉시블 그래핀 투명전극 본 연구를 통해 개발된 그래핀 필름 코팅 방법의 우수성은 다음과 같다. 1) 마이크로리터 수준의 극소량의 그래핀 용액의 사용으로 빠른 시간 내에 그래핀 필름 형성이 가능하여 그래핀 용액 사용량을 획기적으로 줄일 수 있다. 그래핀 투명전극으로의 활용과 더불어, 상기의 코팅법을 통해 제작된 균일한 대면적의 그래핀 필름은 마이크로 크기의 미세 그래핀 패터닝(patterning)을 위해 사용될 수 있어, 그래핀 전자 소자 및 센서로의 활용을 기대할 수 있다. |
<장석태 교수>
 ○ 소 속 : 중앙대학교 화학신소재공학부 조교수 2. 학력 ○ 1999 : 중앙대학교 학사 (화학공학) ○ 2001 : 광주과학기술원 석사 (환경공학) ○ 2008 : North Carolina State University 박사 (화학공학) 3. 경력사항 ○ 2001 ~ 2002 : 효성기술원, 연구원 ○ 2002 ~ 2003 : KIST, 위촉연구원 ○ 2008 ~ 2009 : Sandia National Laboratories, Postdoctoral Fellow ○ 2009 ~ 현재 : 중앙대학교 화학신소재공학부, 조교수 4. 주요연구업적 |
<김수영 교수> ○ 소 속 : 중앙대학교 화학신소재공학부 조교수 2. 학력 4. 주요연구업적 |
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