우리얘기

촉매금속 위에서 합성된 대면적 그래핀은 디스플레이, 태양전지 등에 다각적으로 활용될 수 있어, 이에 대한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있습니다.

그러나 이 대면적 그래핀을 실제 전자기기에 응용하기 위해서는 단원자 층인 그래핀을 촉매금속으로부터 손상 없이 떼 내는 것이 무엇보다도 중요합니다.

지금까지는 화학약품을 이용해 금속을 녹여 제거함으로써 그래핀을 촉매금속으로부터 분리했습니다.

그러나 이 방법은 금속을 재활용할 수 없을 뿐만 아니라 생산단가도 높아 경쟁력이 없고, 특히 금속을 녹이는 과정에서 많은 양의 폐기물이 발생하여 환경문제를 일으킬 수 있습니다.

또 공정 단계도 매우 복잡해 그래핀의 양산화에 큰 장벽으로 작용했습니다.

□ KAIST 김택수, 조병진 교수팀은 금속위에서 합성된 그래핀의 접합에너지를 정밀측정한 후 이를 이용하면 그래핀을 금속으로부터 쉽게 분리할 수 있다는 사실을 밝혀냈습니다.

이번 연구는 그동안 어떠한 연구팀도 정확히 측정할 수 없었던 그래핀과 촉매금속간의 접합에너지를 처음으로 정밀히 측정하는데 성공한 것입니다.

금속 재활용이 가능한 친환경, 저가 기반의 그래핀 양산 기술과 이를 이용하여 제작된 그래핀 전계 효과 트랜지스터

이를 이용해 촉매금속을 기존처럼 일회용으로 사용하는 것이 아니라, 무한대로 재활용할 수 있게 돼 친환경적이면서도 저렴한 고품질 대면적 그래핀 생산의 원천기술을 마련했습니다.
    
또한 이 방법을 사용해 기계적으로 분리된 그래핀을 다른 기판에 전사하지 않고 곧바로 그 위에 전자소자를 제작하는데 성공해 기존의 복잡한 그래핀 생산단계를 획기적으로 줄였습니다.

특히 그래핀을 떼어낸 후에도 그 금속기판을 수차례 재활용하여 그래핀을 반복적으로 합성해 처음과 같은 양질의 그래핀을 합성할 수 있어 친환경, 저비용 그래핀 양산기술에 새로운 길을 열었습니다.
 
이번 연구결과를 통해 매우 간단한 단일 공정만으로 그래핀을 금속으로부터 손쉽게 떼 내어 그래핀 응용소자를 제작할 수 있게 됐습니다.

연구결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 'Nano Letters'지 온라인 속보(2월 29일자)로 게재되었다. 
(논문명 : Direct Measurement of Adhesion Energy of Monolayer Graphene As-Grown on Copper and Its Application to Renewable Transfer Process)  

(왼쪽부터) 신우철 박사과정생, 윤태식 석사과정생, 김택수 교수, 조병진 교수.

 용  어  설  명

그래핀 분리기술 :
금속위에서 성장된 대면적의 그래핀을 활용하기 위해 원하는 기판위에 그래핀을 전사시키는 기술.
기존에는 화학 약품을 이용한 식각 공정으로 금속을 제거하여 그래핀을 분리하였으나, 식각 공정 중에 그래핀의 손상과 환경오염, 높은 제작비용 등의 문제로 인해 그래핀 상용화에 큰 걸림돌이 되어왔다.

접합에너지 :
이종 고체간의 상호작용으로 인하여 서로 점착하려는 경향을 나타내는 값으로서 금속위에서 성장된 원자 한층 수준의 얇은 그래핀을 금속으로부터 분리해 내기 위해서는 접합에너지에 대한 규명이 필수다. 

<연 구 개 요> 그래핀은 우수한 전기적, 기계적 특성으로 인해 다양한 분야의 핵심 소재로서 각광 받고 있다. 현재까지 고품질의 대면적 그래핀은  촉매 금속위에서 Chemical Vapor Deposition (CVD) 방법을 통해 성장되어 왔다.  금속위에서 성장된 그래핀을 전자 응용소자 제작에 이용하기 위해서는 금속으로부터 그래핀을 분리해내는 그래핀 분리 과정이 필수적인데, 현재까지는 화학적 식각 방법을 통해 금속을 제거하는 금속 식각 공정이 이용되었다. 그러나 이러한 과정은 그래핀에 손상을 줄 수 있고 대면적의 금속 식각으로 인한 상당한 양의 폐기 물량을 유발할 뿐만 아니라, 금속 기판을 일회성으로 밖에 이용할 수 없어 그래핀 상용화에 커다란 장벽으로 작용해왔다. 본 연구진은 세계 최초로 금속위에서 성장된 그래핀이 금속과 이루는 접합에너지를(0.75±0.07 J/m2) 실험적으로 정확하게 밝혀내었다. 그림 1. 은 Double Cantilever Beam (DCB) testing을 이용한 그래핀과 구리 사이의 접합에너지 측정을 보여준다.  이것은 그래핀을 금속으로부터 기계적으로 분리해내는데 가장 중요한 정보라고 할 수 있는 접합에너지의 구체적인 값을 규명하였다는 면에서 상당한 의미를 가진다고 할 수 있다. 그림 1. DCB fracture mechanics testing을 이용한 그래핀과 구리 금속 사이의 접합에너지 측정. Loading/crack-growth/unloading cycle을 반복해서 수행하면서 crack length (a) 및 접합에너지를 추출하였다.        그림 2. (a) 촉매 금속 기판의 재활용이 가능한 친환경, 저가 비용의 그래핀 양산 기술의 모식도         (b) 하나의 금속 기판에서 반복적으로 그래핀을 성장 및 분리시킨 후 측정한 라만 결과.             고품질의 그래핀을 하나의 금속 기판위에서 반복적으로 성장시킬 수 있다. 그래핀이 금속과 이루는 접합에너지는 그래핀 분리 기술의 핵심적인 정보를 지니고 있음에도 불구하고, 원자 한 층으로 이루어진 그래핀을 대면적의 금속으로부터 정확하게 박리해 내기가 매우 어려워 지금까지 어떠한 연구진에 의해서도 규명되지 못하고 있었다.  또한 본 연구진은 규명한 접합에너지를 이용하여 하나의 금속 기판을 무한대로 재활용하여 그래핀을 양산할 수 있는 친환경, 저가 비용의 그래핀 분리 기술을 개발하였다. 그림 2. a 는 하나의 구리 기판에서의 그래핀의 성장과 분리가 반복적으로 가능하다는 것을 보여주며, 그림 2. b 는 반복 성장된 그래핀의 라만 결과로서 하나의 금속기판 위에서도 고품질의 그래핀을 계속해서 무한대로 양산할 수 있다는 것을 보여준다. 본 연구에서 개발한 그래핀 분리 기술을 이용할 경우 기존의 기술 대비 생산 비용을 상당히 낮출 수 있을 뿐만 아니라 간단한 기계적 박리 기술로 쉽게 그래핀을 얻어 낼 수 있으므로 현재의 복잡한 그래핀 양산 과정을 오직 하나의 단일 단계만으로 단축시킬 수 있을 것으로 기대된다. 실제로 본 연구진은 이러한 기계적 박리 기반의 그래핀 분리기술을 이용하여 양산시킨 그래핀을 소자의 채널물질로 이용하여 전계 효과 트랜지스터를 유연기판위에 제작하는데 성공하였다. 그림 3. (a) 은 본 연구에서의 개발된 그래핀 분리기술을 이용하여 제작된 그래핀 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET) 의 사진 및 모식도를 보여준다.  그림 3. (b),  (c), (d) 는 제작된 그래핀 FET 소자의 전류-전압 특성과 Bending Stability를 나타낸다.  본 연구진은 기계적 박리를 통해 그래핀을 원하는 기판에 전사시켜 응용소자의 제작이 가능하다는 것을 밝혀내었으며 이것은 본 연구에서 개발한 그래핀 분리기술이 그래핀 응용 소자 제작에 바로 이용가능하다는 것을 보여주는 결과로서 그래핀 상용화 크게 앞당길 것으로 기대한다. 그림 3. (a) 기계적 박리를 통해 단일 공정만으로 분리된 그래핀을 이용한 전계효과 트랜지스터의 모식도 및 사진.        (b) 제작된 그래핀 전계 효과 트랜지스터의 Output 특성. (c 유연성 기판에 전사되어 제작된 그래핀 전계 효과 트랜지스터의 Transfer 특성 및 Bending Stability.        (d) 그래핀 전계 효과 트랜지스터의 bending 조건에 따른 이동도 변화. 이동도 특성 변화는 10 %로서 매우 안정된 소자의 구동이 가능함을 알 수 있다.

<조병진 교수> 1. 인적사항          ○ 소 속 : 카이스트 전기 및 전자공학과      2. 학력   1981 - 1985    고려대학교 전기공학과 졸업   1985 - 1987    카이스트 전기 및 전자공학과 석사 졸업   1987 - 1991    카이스트 전기 및 전자공학과 박사 졸업   3. 경력사항 2007 - 현재   카이스트, 전기 및 전자공학과 교수 1997 - 2007    싱가포르 국립대학교, 전기 및 컴퓨터 공학과 교수 1993 - 1997   하이닉스 반도체, 메모리 연구소 책임연구원 1991 - 1993    벨기에 IMEC 연구원

<김택수 교수> 1. 인적사항      ○ 소 속 : 카이스트 기계공학과                   2. 학력   2001    연세대학교 기계공학과 학사 졸업   2006    스탠포드 대학교 기계공학과 석사 졸업   2010    스탠포드 대학교 기계공학과 박사 졸업   3. 경력사항 2010.12 ~ 현재      카이스트, 기계공학과 조교수 2010.1 ~ 2011.11 스탠포드 대학교 재료공학과 박사 후 과정(Postdoctoral Scholar)

'이달의 과학기술자상' 3월 수상자로 자연의 광합성 현상을 모방하여 태양에너지로부터 최종적으로 화학물질을 생산할 수 있는 인공광합성 원천기술을 개발한 KAIST 박찬범 교수(43)가 선정됐습니다.

박찬범 교수는 바이오소재(Biomaterials) 분야의 석학으로, 인공광합성을 위한 고효율 나노바이오소재들을 개발하여 학계의 주목을 받아왔습니다.

광합성은 식물 등 자연계의 생물체가 태양광을 에너지원으로 하여 일련의 물리화학적 반응들을 통해 탄수화물과 같은 화학물질을 생산하는 현상입니다.

식물의 엽록소는 태양광을 받으면 전자를 방출하고(광반응), 이 전자는 주변으로 전달돼 연쇄적 화학반응을 일으키면서 환원에너지를 생산합니다.

또 햇빛이 없는 밤에는 낮에 재생했던 에너지를 이용해 이산화탄소를 탄수화물로 환원시킵니다.

박찬범 교수는 이러한 자연계의 광합성시스템을 모방하기 위하여 광반응의 엽록소 대신에 태양전지 등에서 사용되는 양자점 등 나노크기의 광감응 소재로 빛에너지로부터 화학적 환원에너지를 고효율로 재생하는데 성공했습니다.

또한 자연계의 연쇄적이고 복잡한 암반응 대신에 단순한 생체촉매반응을 이용하여 빛에너지로부터 최종적으로 메탄올 등 화학연료, 의약품 등 고부가가치 정밀화학물질을 생산하는 친환경 녹색생물공정 개발의 전기를 마련했습니다.

박 교수가 개발한 나노바이오소재 기반 인공광합성기술은 무한한 에너지원인 태양광을 사용해 화학연료, 정밀화학제품 등을 생체촉매반응으로 합성한다는 점에서 파급효과가 매우 큽니다.

박찬범 교수는 Advanced Materials, Angewandte Chemie 등 재료분야의 권위 있는 학술지에 2008년 이후 교신저자로서 48편의 논문을 발표하였고, 이 학술지들의 인용지수(IF)의 합계가 323(1편당 평균: 6.73)으로 매우 높습니다.

특히 인공광합성에 대한 연구결과로 지난해에만 총 6편의 표지논문을 발표하는 등 학계의 큰 주목을 받았습니다.

또 박 교수가 개발한 나노바이오소재 기반 인공광합성 기술은 2010년도 대한민국 10대 과학기술뉴스로 선정되기도 했습니다.

<박찬범 교수>  ● 인적사항  ▶성명 : 박찬범 (朴燦範)  ▶소속 : 카이스트 신소재공학과 ● 학    력 ▶1995 ∼ 1999    포항공과대학교 화학공학과, 박사 ▶1993 ∼ 1995    포항공과대학교 화학공학과, 석사 ▶1987 ∼ 1991    포항공과대학교 화학공학과, 학사 ● 경    력 ▶2008 ∼ 현재 ▶2006 ∼ 2008 ▶2002 ∼ 2006 ▶1999 ∼ 2002 카이스트 신소재공학과, 부교수 (영년직) 카이스트 신소재공학과, 조교수 애리조나주립대학교, 조교수 UC Berkeley, 박사후연구원 ● 주요업적 : 나노바이오소재 기반 인공광합성 기술개발 □ 자연의 광합성현상을 모방하여 태양에너지로부터 시작하여 최종적으로 메탄올 등 화학연료, 의약품 등 고부가가치 정밀화학물질을 태양에너지를 이용해 생산하는 친환경 녹색생물공정 원천기술 개발

아이코리아는 지식경제부와 연구개발특구지원본부의 중소기업 지원 프로그램인 토탈디자인 지원 사업을 통해 새로운 기능과 디자인의 Touch-i 시스템을 개발했고, 글로벌 디자인그룹 탠저린과 마케팅 컨설팅 전문회사 ㈜스튜디오크로스컬쳐가 컨설팅을 진행 중입니다.

한국기계연구원 에너지플랜트안전연구실 최병일 박사팀과 가상현실 전문기업 에이알비전은 초고층 복합건물에서 발생한 가상의 화재 상황을 실감 영상기술로 재현하는 팀 단위의 구조 훈련을 할 수 있는 일선 소방관용 훈련 시뮬레이터 개발에 성공했습니다.
  
현재 중앙소방학교에서 쓰이는 미국산 시뮬레이터는 일선 소방관이 아닌 지휘관용입니다.

이번에 새로 개발된 시뮬레이터는 네트워크 상에서 작동해 2인 1조로 이뤄진 총 3개 팀이 동시에 화재진압 훈련을 할 수 있어 상호 협조 훈련에 적합합니다.

소방관들의 이동 경로에 따른 유독가스 산출량을 실시간으로 보여주며, 전산 시뮬레이션을 통해 화재의 정확한 전파 상황과 온도 분포를 알려주고, 온도 변화에 따른 열기 체험도 가능합니다.

이번 시뮬레이터에 쓰인 교육 훈련 시나리오는 대규모 인명 피해가 예상되는 밀폐된 대형 구조물에 가장 적합하게 설계됐으며, 이는 우리나라 소방관들이 현재 사용 중인 '화재 대응지침(SOP)'에 기반해 제작됐습니다.

특히 소방구조 활동 중 가장 어렵다고 알려진 백드래프트(Backdraft), 플래쉬오버(Flashover) 등의 화재현상도 시뮬레이션 기법으로 완벽히 재현, 소방관들의 대처능력을 높이도록 했습니다.

이번 연구는 소방방재청 차세대 핵심 소방안전 기술개발 사업의 지원으로 진행됐습니다. 

 용  어  설  명

백드래프트(Backdraft) :
역화(逆火).
산소가 부족하거나 훈소(불꽃 없이 타는 연소) 상태에 있는 실내에 산소가 일시적으로 다량 공급될 때 연소가스가 순간적으로 발화하는 현상.

플래쉬오버(Flashover) :
연소된 인화물에서 발생한 가연성 혼합 기체가 가득차 실내 온도가 가연성 혼합기체의 발화점보다 높아지는 순간 한꺼번에 착화되는 현상.