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경유와 휘발유 등 연료에 존재하는 황(黃) 성분은 환경오염의 주범 중 하나로, 전 세계 연구자들은 황 성분을 저렴하면서도 효과적으로 제거하기 위해 다양한 노력을 기울이고 있습니다.

그러나 기존의 황 제거 방법은 비싼 수소가 필요한 고온 공정으로 고비용이 요구되고, 반면 수소가 필요 없는 저온 공정을 하려 해도 소재를 고온 공정으로 얻어야 할 뿐만 아니라 소재 자체가 불안정한 단점이 있었습니다.

이런 가운데 유와 휘발유 등에서 유해한 황 성분을 효과적으로 제거할 수 있는 소재가 개발됐습니다.

경북대 장성화 교수팀은 기존 흡착력이 가장 높은 소재보다도 1.2배 뛰어난 황 제거 소재를 개발했습니다.

정 교수팀이 개발한 황 제거용 소재는 표면적이 넓으면서도 작은 구멍이 많은 물질에 활성을 가진 구리를 포함하여, 성능이 감소되지 않으면서도 저렴하게 실온에서 제조할 수 있습니다.
 
또 이 소재를 이용하면 수소로도 제거하기 힘든 고질적인 황 화합물 제거에 탁월하여 순도가 높은 연료를 제조하는데도 이용될 수 있습니다.

특히 이 소재는 활성 성분이 작은 구멍 속에 안정적으로 존재하여 대기 중에도 특성이 변화되지 않아 오랫동안 간편하게 사용할 수 있습니다.

이를 이용해 저온으로 값싸게 제조될 뿐만 아니라, 제거하기 힘든 황 화합물도 효과적으로 없앨 수 있고, 대기 중에도 안정적인 것으로 나타났습니다.

또한 경유 및 휘발유 등의 황 제거는 물론, 벤젠 등의 방향족화합물 같은 유해물질을 제거 분리하는 데에도 활용되는 등 광범위하게 사용될 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.

이번 연구는 정성화 교수가 주도하고 방글라데시 나쯔물아베딘칸 박사과정생(제1저자)이 참여했습니다.

연구결과는 화학분야의 권위 있는 학술지인 '앙게반테 케미 국제판(Angewandte Chemie International Edition, 인용지수=12.73)' 1월 27일자 속표지 논문으로 게재됐습니다.
(논문명 : Remarkable Adsorption Capacity of CuCl2-Loaded Porous Vanadium Benzenedicarboxylate for Benzothiophene)

본 연구 결과를 설명하는 개념도. V-BDC라고 하는 나노세공형 물질에 구리 2가를 주입하면 아주 용이하게 구리 1가가 자동적으로 얻어지며 이들은 각각의 세공(細孔)에 잘 위치하고 황화합물과 선택적 흡착이 가능하다. 따라서 경유 및 휘발유 등의 연료에 존재하는 황화합물을 선택적으로 제거하는데 사용될 수 있다.

깨끗한 자연 환경을 보존하는 결과를 보여주는 개념도. Angewandte Chemie International Edition誌 2012년 5호 속표지 이미지이며 그림 상단의 타원 속의 깨끗한 환경을 보여주는 바다, 하늘 및 산 등은 독도와 그 주변의 사진이다.

 용  어  설  명

탈황(脫黃) 기술 :
황화합물은 연소 후 이산화황으로 전환되고 최종적으로는 황산 및 아황산으로 변화하여 산성비의 원인이 된다.
또한 황은 대부분의 촉매제의 아주 강한 촉매독으로 작용하므로 연료, 특히 연료전지용 연료의 황 함량은 아주 엄격하게 규제된다.
화석연료의 고갈에 따라 점진적으로 품질이 나쁜 자원의 활용도 필요하며 이러한 관점에서 황을 제거하는 기술은 매우 중요하며 일반적으로 '탈황(脫黃)'으로 일컬어지며 다음과 같은 대표적인 기술들이 있다.

 ○ 수첨 탈황(水添 脫黃) : 황화합물에 수소를 첨가하여 황화수소로 제거하는, 전통적인 공정으로 값비싼 수소가 필요하고 고온, 고압의 공정으로 인해 운전비가 높으며 유용한 화합물도 수소화되어 제거될 수 있다. 특히 복잡한, 고질적인 황화합물의 제거에 한계가 있으며 연료 전지에 적용할 수 있는 수준의 연료(황< 60 ppb)를 제조하기에는 실제적으로 불가능하다.
 ○ 산화 탈황 : 황화합물을 촉매제와 산화제의 존재 하에서 반응시켜 용해도가 아주 크게 다른 물질로 전환한 후 추출하여 제거하는 기술이며 복잡한 공정으로 인해 운전비가 높다.
 ○ 흡착 탈황 : 고체 표면에 선택적으로 황화합물을 흡착하는 흡착제를 적용하여 황화합물을 제거하는 기술이며 실온에서 운전되고 수소, 산화제 및 촉매제 등이 필요 없으므로 운전비가 낮을 수 있으나 우수한 흡착제 개발이 관건이다.

흡착 (吸着, adsorption) :
흡착은 기체 혹은 액체 분자가 흡착제라고 하는 고체 표면에 쌓여 분자 혹은 원자 막을 형성하는 물리적인 현상이다.
흡착은 표면 현상으로 표면적이 큰 다공성(多孔性) 물질의 표면에서 주로 관측되며 석유화학 및 환경공학 등의 촉매현상, 분리 및 정제 등에 활용된다.
흡착의 반대 현상은 탈착이라고 하며 보통 가열 혹은 진공 처리에 의해 일어난다.

나노세공(細孔)형 물질(nanoporous materials) :
무한히 반복되고 규칙적인 작은 구멍(세공)을 가진 물질 중 구멍의 크기가 대략 1 nm 전후인 물질을 나노세공형 물질이라고 하며 제올라이트 및 금속-유기 골격 물질 등이 대표적인 예이다.
이들은 큰 표면적을 가지고 구멍의 크기가 보통의 분자와 유사하므로 분자들의 분리, 저장 및 촉매제 등으로 활용된다.

 π-착물 형성(π-complexation) :
일부의 전이금속과 그의 이온들은 π-전자를 가진 화합물과 결합할 수 있으며 화합물에서 금속으로 전자가 이동함으로써 보통의 결합이 발생하고 금속에서의 잉여 전자는 반대로 금속에서 화합물로 이동함으로써 π-결합이 발생할 수 있으며 이렇게 착물이 형성되는 것을 π-착물 형성이라고 한다.
π-착물을 형성하는 대표적인 전이금속 이온으로는 구리(1가), 은(1가), 팔라듐(2가) 등이며 올레핀, 방향족, 황화합물 등의 물질과 용이하게 π-착물을 형성한다.

<연 구 개 요>

석유 및 석탄 같은 화석연료의 고갈에 따라 보다 순도가 낮은 (황, 질소 및 금속의 함류량이 높은) 저급 자원의 활용 기술이 필요하며 환경 규제의 심화와 연료전지 촉매제의 안정적인 운전을 위해 탈황(脫黃), 탈질(脫窒) 및 탈(脫)금속 기술의 중요성이 날로 증가하고 있다.
경유, 휘발유 등의 연료에 존재하는 황 성분은 연소 후 산성비의 원인이 되고 촉매제들의 작용을 크게 방해하므로 반드시 제거되어야 하며 최근 환경 규제는 10 ppm 수준으로 매우 엄격하고 특히 연료전지에 사용되는 연료는 60 ppb 수준으로 제어되어야 한다.
일반적 석유화학공장에서는 수첨탈황(水添脫黃, 수소첨가탈황, hydrodesulfurization) 공정으로 황화합물을 제거하지만 값비싼 수소가 필요할 뿐만 아니라 고온, 고압 공정으로 운전비용도 높다. 
Thiol류, disulfide류와 일반적 thiophene류 등의 불순물들은 수첨 탈황에 의해 비교적 용이하게 제거될 수 있으나 보다 복잡한 thiophene류 불순물들은 반응성이 매우 낮아 제거하기 어렵다.
이러한 고질적인 황화합물은 산화 혹은 흡착으로 제거될 수 있지만 각각 우수한 촉매제 및 흡착제의 개발이 매우 중요한 선결 요인이다.

그림 1. 본 연구에 사용된 나노세공형 물질인 V-BDC의 구조. 금색의 팔면체 중앙에는 바나듐이 존재하고 붉은 점과 검은 점은 각각 산소와 탄소를 의미한다.


성공적인 흡착제를 개발하기 위해서는 높은 표면적과 적당한 흡착 자리(site)가 필요하다.
지속적인 연구로 제올라이트, 활성탄 같은 다공성(多孔性) 물질에 구리, 은, 팔라듐 등이 적당한 산화수로 존재할 때 효과적인 흡착제로 작용할 수 있음이 알려져 있다.
은과 팔라듐은 매우 비싸므로 석유화학공정에 적용하기에는 무리가 있다.
한편 구리는 1가일 때 활성이 좋은 것으로 알려져 있지만 구리 1가는 매우 불안정하여 두 개가 만나 구리 0가와 구리 2가로 쉽게 변해 버린다.
따라서 구리 1가를 흡착제의 활성 성분으로 유지하기에는 어려움이 있다. 특히 구리 1가는 제조하기에도 어려움이 있으며 보통 구리 2가를 고온에서 열처리 하여 얻을 수 있으나 운전비가 높고 재현성이 있는 반응 조건도 찾기가 매우 어렵다.
환원 공정이 과도하면 바로 구리 0가 까지 환원이 되어 버리고 너무 온화하면 구리2가로 계속 유지되기 때문이다.

본 연구팀은 바나듐이 3가로 존재하는  유기물과 무기물로 이루어진, 그림 1과 같은 구조의 나노세공형(細孔形) 물질에 구리2가를 주입할 시 바나듐 3가의 환원력이 적당하여 구리2가를 구리 1가로 선택적이며 자동적으로 환원함을 알 수 있었다.
환원 공정은 고온의 열처리 없이도 실온에서 쉽게 일어났으며 따라서 매우 경제적으로 수행될 수 있었다.
또한 이렇게 얻어진 구리 1가는 매우 안정하여 대기에서 몇 개월 후 측정하여도 성능의 저하가 거의 없었다.
이렇게 안정한 구리 1가는 아마도 나노세공 내에 존재하여 구리가 잘 분리되고 보호되어 구리 간의 상호작용이 어렵기 때문으로 생각되었다.
따라서 본 연구에 의해 얻어진 흡착제는 매우 효과적으로 황화합물을 흡착하였으며 특히 고질적인 황화합물의 제거에도 유리하다.
그림 2는 개발된 흡착제의 성능을 보여 주고 있으며 구리가 없는 나노세공형 물질에 비해 흡착 용량이 크게 증가하고(주입된 구리로 인해 비록 표면적의 감소는 일어나나) 기존에 알려진 가장 높은 흡착량을 보이는 흡착제 (구리 1가가 존재하는 제올라이트 Y형 흡착제) 대비 122% 수준의 흡착 용량을 보였다.

그림 2. 본 연구에서 얻어진 소재와 기존의 가장 우수한 소재 등의 황 제거 성능 비교도. 바나듐과 유기물로 이루어진 기존 소재에 구리 성분을 주입하면 기존 소재(위 검은 선) 대비 성능이 크게 향상되며 (위 붉은 선) 이는 기존에 알려진 가장 우수한 소재인 구리 1가가 존재하는 Y형 제올라이트(위 푸른 선)에 비해 122%의 성능을 보였다.


본 연구팀은 X-선 회절분석, X-선 광전자분석 및 질소 흡착 등의 연구를 통해 바나듐, 구리 및 염소 등의 산화 상태와 결합 상태 등을 규명하였으며 다음 식 1과 같이 구리와 바나듐 간의 전자 이동 및 그에 따른 산화-환원 현상을 이해할 수 있었다.

또한 얻어진 구리 1가는 황 화합물과 π-착물을 형성하여 선택적으로 제거됨을 알 수 있었다. 그림 3에는 π-착물 형성을 통한 구리와 황화합물 간의 상호작용의 개념도를 보여 주고 있다.

흡착 효율은 보통 분자가 복잡하고 무거울수록 증가하므로 수첨탈황에 비해 흡착 탈황은 고질적인 황화합물의 제거에 유리하다.
본 흡착제도 넓은 표면적과 큰 구멍을 가지므로 메틸기 등으로 둘러싸인 티오펜류 같은 고질적인 황화합물의 제거에 더욱 우수한 성능을 발휘하였다.
또한 π-착물 형성을 할 수 있는 분자와 할 수 없는 분자 (예로 방향족과 지방족 화합물)의 분리에도 용이하게 적용될 수 있다.

그림 3. 구리 1가와 황화합물 간의 π-착물 형성을 보여주는 개념도. 금색과 검정색의 둥근 구(球)는 각각 황 및 탄소 원자를 나타낸다.


본 연구에서 제안된 구리 1가가 존재하는 나노세공형 흡착제는 기존의 흡착제에 비해 다음의 우수한 특성을 나타낸다.

1) 흡착제의 활성 성분인 구리 1가가 나노세공형 물질에 잘 분산되어 다른 산화수로 변환되지 않고 따라서 대기에 방치하여도 매우 안정하다.
2) 흡착제 제조를 위한 고온 처리가 필요 없고 단순한 혼합을 통해 얻어지므로 제조 공정과 장치가 매우 단순하며 따라서 흡착제를 매우 경제적으로 제조할 수 있다. 
3) 기존에 알려진 가장 우수한 흡착제 대비 122% 수준의 흡착 성능을 가진다.

본 연구에서 제안한 구리 1가가 존재하는 나노세공형 흡착제는 경유 및 휘발유 등의 흡착 탈황 기술에 적용 가능할 것으로 기대되며 특히 저가, 고성능은 물론이고 대기에 방치하여도 안정하여 운전 편의성도 크게 향상될 것이다.
이러한 흡착제는 탈황 외에 탈질, 방향족 화합물 제거는 물론이고 파라핀/올레핀, 올레핀/디올레핀, 지방족/방향족의 선택적 분리 등에도 광범위하게 적용될 수 있을 것으로 전망된다.

<정성화 교수>

1. 인적사항 

 ○ 소 속 : 경북대학교 화학과 교수
 
2. 학력
  ○ 1983 : 서울대학교 학사 (화학교육)
  ○ 1985 : 한국과학기술원 석사 (물리화학)
  ○ 1990 : 한국과학기술원 박사 (물리화학)
 
3. 경력사항
○ 1990 ~ 1992 : ETRI 반도체연구단 선임연구원
○ 1992 ~ 2002 : 삼성종합화학(주)/삼성종합기술원 선임, 수석연구원
○ 2002 ~ 2007 : 한국화학연구원 신화학단 책임연구원
○ 2007 ~ 현재 : 경북대학교 화학과 교수

4. 수상 실적 및 특기 사항
○ 2008. 12 : Angewandte Chemie International Edition의 가장 많은 논문을
   발표한 저자 중의 1인 (1962 - 2008 년 사이)
○ 2007. 4 : 국무총리 표창(제 40회 과학의 날)
○ 2002. 8 : 제 224차 미국화학회 최우수 논문 발표상
○ 2000. 12 : 삼성종합화학(주) 연구개발 금상

 

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2012. 1. 30. 21:14 대덕밸리과학소식/ETRI

항공기용 운영체제는 항공기 조종 및 통제를 위한 시스템 SW로, 최근 항공기의 기능이 다양화되고 고도화됨에 따라 다수의 기능을 통합 제어하면서 한 치의 오류도 허용치 않는 높은 신뢰성을 보장할 수 있어야 합니다.

이에 따라 국제 항공업계에서는 항공기에 탑재되는 표준 운영체제와 응용프로그램 간의 인터페이스 규격을 정의한 'ARINC-653' 표준을 제정·공표했으며, 최근에는 이를 반영한 항공기가 국제 시장에서 점차 확대되고 있는 추세입니다.

그러나 국내에는 이 기술을 제공하는 업체가 없어 국내 항공 산업의 기반 기술을 전적으로 외국 기술에 의존해야 했습니다.

□ ETRI(한국전자통신연구원)가 국제 표준에 부합하는 항공기용 운영체제(OS)인 '큐플러스-에어(Qplus-AIR)'와 SW 개발도구 '에스토-에어(Esto-AIR)'를 개발했습니다.

이번 기술 개발은 ETRI가 지난해부터 한국항공우주산업(KAI)과 공동 추진 중인 '무인기용 표준 SW 솔루션 및 테스트베드 개발'을 통해 이뤄졌습니다.

이를 통해 KAI의 항공기 개발 경험 노하우에서 도출된 요구사항을 반영하여, 하나의 시스템에서 조종, 임무 수행, 통신 등 다수의 응용프로그램이 완전하게 독립적으로 운영이 가능하도록 설계됐습니다.

이를 통해 일부 시스템에서의 오류가 발생하더라도 전체 시스템에 영향을 미치지 않아 항공 시스템의 가장 중요한 요건 중 하나인 고신뢰성을 확보하게 됐습니다.

이번 기술은 국내 최초로 항공기에 탑재되는 표준 운영체제 등의 규격과 기능을 정의한 국제표준인 'ARINC-653'을 준수하여 개발한 순수 국산 기술로, 향후 수입 대체 뿐만 아니라 세계 시장 진출에도 청신호를 밝히는 것입니다.

'큐플러스-에어'와 '에스토-에어' 기술은 우리나라 항공 SW 기술의 자립화 및 글로벌화에 크게 기여할 전망입니다.

현재 큐플러스-에어는 한국항공우주산업(KAI)에서 개발한 고정익 방식의 무인기에 탑재되어 현재 통합 시험 중입니다.

향후에는 한국항공우주연구원이 개발한 '스마트무인기' 등에도 탑재될 계획입니다.

또 ETRI는 이를 바탕으로 항공 분야 외에도 원자력, 철도, 자동차, 의료 등 높은 신뢰성을 요구하는 산업 분야의 운영체제로 점차 적용을 확대할 계획입니다.

ETRI는 올해 인증을 목표로 국제 항공 SW 개발 표준인 'DO-178B'의 안전성 최상위 등급인 'Level A' 인증 프로세스를 진행 중에 있습니다.

<'큐플러스-에어' 시스템 개요도>
  - 기존 운영체제의 경우 비행 제어 SW, 임무 수행 SW, 조종 화면 SW가 각각 분산되어 운영된 반면, ETRI가 개발한 '큐플러스-에어' 운영체제의 경우 이들의 기능을 하나로 통합하여 제공

ETRI 개발 ‘큐플러스-에어’ 통합 시스템

기존 운영체제 분산 시스템



'큐플러스-에어'(운영체제)가 탑재된 한국항공우주산업(KAI) 개발 무인기 시제품



 용  어  설  명

ARINC-653 :
항공전자기기의 운영체제와 응용프로그램 간의 인터페이스(APEX, Application/Executive)를 정의한 규격으로, 요구서비스, 확장 서비스 및 적합성 시험의 3개의 분야로 구성.
ARINC-653의 핵심 서비스는 분할(Partitioning)으로 하나의 시스템 내에서 응용프로그램이 실행되는 공간과 시간을 분리시켜서 하나의 응용프로그램 오류가 다른 응용프로그램에 영향을 미치는 것을 방지하는 것임.


DO-178B :
항공기 시스템과 장비 인증에 관한 SW 개발 표준으로 미국 RTCA와 유럽민간항공장비기구(EUROCAE)에 의해 개발됨.
이 표준은 미국 연방 항공국(FAA)으로부터 항공기 SW 인증을 위한 용도로 사용할 것을 인정받아 현재 상용 항공기 SW를 위한 일반적인 표준 인증으로 자리잡음.
 

posted by 글쓴이 과학이야기

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그래핀(Graphene)은 구조적, 화학적으로 매우 안정되고, 실리콘보다 100배의 전기전도성을 지니며, 강철보다 200배 큰 강도와 유연성을 갖고 있어 꿈의 신소재로 각광받고 있습니다.

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.

대면적 플렉시블 그래핀 투명필름 사진



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.

(a) 본 연구에서 개발한 그래핀 필름 코팅 방법 모식도 (b) 유리기판(2.5×7.5 cm2)에 코팅된 그래핀 필름 사진



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.
그래핀은 구조적, 화학적으로 매우 안정하고 뛰어난 전도체로서 실리콘보다 100배 빠르게 전자를 이동시키고, 강철의 200배나 되는 기계적 강도와 유연성, 높은 열전도도를 가지면서 입사하는 빛의 97.7%를 투과시키는 광학적 성질도 가지고 있다.
게다가 탄소로만 이루어졌기 때문에 2600 m2/g 의 넓은 표면적을 가진다.
이러한 그래핀의 특성은 투명전극, 터치스크린, 휘는 디스플레이, 고감도 센서, 촉매의 역할도 할 수 있으며, 다른 재료와의 복합체 형성에도 우수한 장점을 가진다. 

그래핀의 제조 방법 중 하나인 화학적 박리법은 산화제 혹은 계면활성제를 이용하여 흑연을 용액상태에서 화학적으로 한 층씩 분리해내는 방법이다.
산화제를 이용하여 분리한 그래핀 산화물(Graphene Oxide)은 하이드라진(Hydrazine) 등을 이용하여 환원시킨다.
환원된 그래핀(reduced Graphene Oxide) 조각들은 기계적 박리법, thermal CVD법에 의해 제조된 그래핀에 비해 전기적 성질이 떨어진다는 단점이 있지만, 생산비용이 낮은 용액공정과 대량생산에 용이하고 얇은 필름형태뿐 아니라, 다른 물질과의 복합체 형성 등 응용성에 있어서 다른 제조공정과의 차별성을 가지고 있다.
현재 많은 연구자들이 화학적 박리법을 이용하여 그래핀의 다양한 응용분야를 넓혀가고 있다.

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.
현재 용액상의 그래핀 산화물은 기존의 콜로이드 입자 코팅 및 자기조립방법을 통하여 필름 형태를 얻고 있다.
그 방법들은 스핀코팅(Spin-coating), 스프레이코팅(Spray-coating), 진공여과법(Vacuum filtration), 랭뮤어-블라젯 기법(Langmuir-Blodgett assembly), 다층박막적층법(layer-by-layer assembly) 등이 있다.
하지만, 스핀코팅과 스프레이코팅 방법은 필름의 두께 조절 및 균일한 대면적의 그래핀 필름 형성이 어렵고, 진공여과법은 상대적으로 필름의 두께 조절은 용이하나, 수 백 밀리리터의 그래핀 용액이 필요하고, 멤브레인 필터에 형성된 그래핀 필름을 원하는 기판에 전사하는 과정이 필요하여 장시간이 소요되는 단점이 있다.
랭뮤어-블라젯 기법은 대면적의 그래핀 필름 형성에 부적합하고, 다층박막적층법은 그래핀 조각에 서로 다른 전하를 가지게 하기 위한 전처리 과정이 필요하고, 공정에 소요되는 시간이 긴 단점이 있다. 
 
본 연구에서는 상기 화학적 박리법에 의해 생산된 그래핀의 필름 형성을 위해 사용되어 왔던 기존 코팅방법의 단점을 극복하여, 소량의 그래핀 용액으로 빠른 공정시간 내에 기판의 제한 없이 대면적의 균일한 그래핀 투명전극을 위한 새로운 코팅법에 대한 연구를 진행하였다. 

[##_'1C|cfile10.uf@136900364F22452D0CD364.jpg|width="296"_##]Meniscus-Dragging Deposition(MDD) 방법을 통한 그래핀 필름 코팅 모식도' height=268>

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.
증착판을 일정한 속도(30 mm/sec)로 선형 왕복운동하면, 메니스커스가 이동함에 따라 코팅기판위에 그래핀 용액의 얇은 막(thin water film)이 형성된다. 
 
이 water film에 분산되어 있는 판상형의 그래핀 산화물 조각들이 전단력(shear force)에 의해 증착판의 이동 방향으로 정렬되면서, 코팅기판에 붙게 된다.
따라서 증착판의 왕복횟수가 증가함에 따라 코팅기판에 붙는 그래핀 산화물의 양이 증가하고, 그래핀 필름의 두께가 증가된다.
[##_'1C|cfile6.uf@156900364F22452D0EC3ED.jpg|width="296"_##]유리기판에 코팅된 그래핀 필름' height=195>

(b) 코팅횟수에 따른 그래핀 필름 두께, (c) 그래핀 용액 농도에 따른 그래핀 필름 두께.


따라서 증착판의 왕복횟수(deposition number)와 그래핀 용액의 농도에 따라 그래핀 필름의 두께를 나노미터 수준에서 정교하게 조절할 수 있음을 확인하였다<그림2>.
본 연구진이 개발한 그래핀 코팅 방법을 Meniscus-Dragging Deposition(MDD) 방법으로 명명하였으며, 상기 방법으로 코팅된 그래핀 산화물 필름은 Hydriodic(HI) acid 증기로 환원하여 그래핀 투명전극을 제작하였다.
상기의 방법으로 제작된 그래핀 투명전극은 필름의 두께를 코팅횟수(deposition number)와 그래핀 용액의 농도로 조절이 가능함으로써, 필름의 두께와 밀접한 관계가 있는 전기전도도 및 투명도의 조절을 손쉽게 구현할 수 있다 <그림3>.

[##_'1C|cfile9.uf@154660374F2246E8011816.jpg|width="296"_##] 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.   
 
본 연구진이 개발한 MDD 코팅방법의 또 다른 장점은 증착판의 크기와 이동거리에 따라 코팅면적의 조절이 가능함에 있다. 이는 대면적의 그래핀 필름 제작에 용이함을 의미한다.
MDD 공정을 통해 아래 그림 4에서 보여 지는 바와 같이, PET 기판에 7인치와 11인치의 대면적으로 균일하게 코팅된 플렉시블 그래핀 투명전극을 제작하였다.

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.
2) 간단한 공정변수(코팅횟수, 코팅속도, 그래핀 용액의 농도, 두 기판사이의 각도) 조절을 통해 그래핀 필름의 두께를 나노미터 수준에서 조절이 가능하다.
3) 그래핀 필름의 전사과정 없이, 다양한 기판에 직접 코팅이 가능하다.
4) 증착판의 크기 및 이동거리를 통해 대면적의 그래핀 투명전극을 빠른 시간에 제작 가능하다.

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.
이에 대한 연구는 본 연구팀에서 현재 진행 중에 있다.    


<장석태 교수>  

1. 인적사항 
 ○ 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
1. Hyung Jun Koo, Suk Tai Chang, Joseph M. Slocik, Rajesh R. Naik and Orlin D. Velev, Aqueous soft matter based photovoltaic devices, Journal of Materials Chemistry (2011) 21, 72-79.
2. Hyung Jun Koo†, Suk Tai Chang† and Orlin D. Velev, Ionic-Current Diode with Aqueous Gel/SiO2 Nanofilm Interfaces, Small (2010) 6, 1393-1397.
   †Contributed equally to this work.
3. Suk Tai Chang, Ahmet Burak Ucar, Garrett R. Swindlehurst, Robert O. Bradley IV, Frederick J. Renk and Orlin D. Velev, Materials of controlled shape and stiffness with photocurable microfluidic endoskeleton, Advanced Materials (2009) 21, 2803-2807. 
4. Suk Tai Chang, Erin Beaumont, Dimiter N. Petsev and Orlin D. Velev, Remotely powered distributed microfluidic pumps and mixers based on miniature diodes, Lab on a Chip (2008) 8, 117-124.
5. Olivier J. Cayre, Suk Tai Chang and Orlin D. Velev, Polyelectrolyte Diode: Nonlinear Current Response of a Junction between Aqueous Ionic Gels, Journal of the American Chemical Society (2007) 129, 10801-10806.
6. Suk Tai Chang, Vesselin N. Paunov, Dimiter N. Petsev and Orlin D. Velev, Remotely Powered Self-Propelling Particles and Micropumps Based on Miniature Diodes, Nature Materials (2007) 6, 235-240.
7. Hye Young Koo, Suk Tai Chang, Won San Choi, Jeong Ho Park, Dong Yu Kim and Orlin D. Velev, Emulsion-Based Synthesis of Reversibly Swellable, Magnetic Nanoparticle-Embedded Polymer Microcapsules, Chemistry of Materials (2006) 18, 3308-3313.
8. Suk Tai Chang and Orlin D. Velev, Evaporation-Induced Particle Microseparations inside Droplets Floating on a Chip, Langmuir (2006) 22, 1459-1468.

<김수영 교수>

1. 인적사항 
 ○ 소 속 : 중앙대학교 화학신소재공학부 조교수
 

2. 학력
  ○ 2001 : 포항공과대학교 신소재공학과 학사
  ○ 2003 : 포항공과대학교 신소재공학과 석사
  ○ 2007 : 포항공과대학교 신소재공학과 박사
 
3. 경력사항
○ 2007 ~ 2007 : 포항공과대학교 Post Doc.
○ 2007 ~ 2009 : Georgia Institute of Technology Post Doc.
○ 2009 ~ 현재 : 중앙대학교 화학신소재공학부 조교수

4. 주요연구업적
1. Metal diffusion-induced interface dipole: Correlating metal oxide-organic chemical interaction and interface electronic states, Journal of Physical Chemistry C, 115, 23107 (2011).
2.  Effects of functional groups in unsymmetrical distyrylbiphenyl on the performance of blue organic light emitting diodes, Journal of Physical Chemistry C, 115, 9767 (2011).
3.  Nanoscale tunable reduction of graphene oxide for graphene electronics, Science 328, 1373 (2010).

posted by 글쓴이 과학이야기

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