우리얘기

Near room-temperature synthesis of transfer-free graphene films
J. Kwak et al. (Nature Communications - 2012. 1.24. 출판)

그래핀은 탄소원자가 육각형 형태의 벌집 모양으로 연결된 한 층으로 구성된 인공 나노 물질로서 강철보다 200배 이상 강하고 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하는 등 우수한 물리적, 전기적 특성을 가져 디스플레이와 차세대 반도체 소재로 주목받는 꿈의 신소재이다.
최초의 그래핀은 기계적 박리법을 통해 얻어낸 마이크로미터 수준의 그래핀 조각들로서 상기 언급한 바와 유사한 우수한 물성을 지니나, 매번 불균일한 모양과 특성을 갖고 크기가 매우 작아 실생활에의 응용이 불가하다.
이를 해결하기 위해 화학기상증착법을 이용한 대면적 그래핀 합성법이 개발되었다. 하지만 탄소원인 탄화가스의 효율적인 분해를 위해서는 1,000℃ 이상의 고온 공정이 필요하고, 금속기판 위에 그래핀을 성장한 후 소자에의 적용을 위하여 반도체 및 부도체 기판으로의 그래핀의 전사 공정이 필요하게 된다.
이러한 전사 공정시 그래핀의 구겨짐, 찢어짐 등의 결함이 발생하는 등의 어려움은 물론 양산시 대면적화에 있어 극복해야할 난제가 산적해 있는 상태이다.  
  
본 연구팀은 이러한 단점을 극복하기 위하여 DAS(Diffusion-Assisted Synthesis)법을 개발하였다.
DAS법에서는 반도체 및 부도체 기판에 미리 형성한 다결정 금속박막의 결정립계를 통한 탄소원자의 농도구배 차이에 의한 자발확산 현상을 이용한다.
'탄소재료-금속박막/기판'으로 이루어진 확산 쌍을 특수재질로 제작된 지그에 고정시키고 ~1 MPa 정도의 압력을 가하여 전기로에서 다양한 분위기하에서 가열함으로써, 금속박막의 결정립계를 통해 자발확산된 탄소원자는 금속박막/대상기판 계면에서 탄소원자의 확산현상에 의해 그래핀을 형성하게 된다.
본 연구팀의 전산모사 결과에 의하면 상온에서도 그래핀 위의 탄소원자들이 대략 200 ㎟/sec 이상 확산 과정을 겪게 되어 상온에 가까운 저온에서도 안정상인 그래핀을 형성할 수 있음을 확인할 수 있었다.
대상기판으로는 단단한 산화 실리콘 기판 (SiO2/Si) 및 유리뿐 아니라 가요성을 갖는 플라스틱 기판 (PMMA, PDMS) 등이 사용되었고 이들 대상기판에서 기판 종류에 따른 그래핀 성장 메커니즘에 관한 연구를 통해, 200 ℃ 이하의 저온에서 성장온도, 성장시간, 중간 금속박막층의 형성조건 등에 따른 센티미터 수준의 그래핀을 얻을 수 있었다. 
이와 더불어 DAS 기술을 이용하면 대상기판에 형성한 금속박막의 결정립계 크기를 미리 조절함으로써 추후 형성되는 그래핀의 결정립 크기를 조절할 수 있음을 확인하였다.
인공 합성된 대면적 그래핀의 경우 내부에 존재하는 다수의 결정립계로 인해 물리적, 전기적 특성이 이론치에 비해 현저히 떨어지게 되어 현시점에서 이의 활용분야가 제한되나, DAS법을 활용하게 되면 추후 그래핀 내부에 존재하는 주요 결함원인 결정립계를 줄일 수 있게 되어 차세대 그래핀 산업의 핵심기술이 될 것으로 기대된다.

4. 주요성과 
1. J. Kwak, J.H. Chu, J.-K. Choi, S.-D. Park, H. Go, S.Y. Kim, K. Park, S.-D. Kim, Y.-W. Kim, E. Yoon, S. Kodambaka, S.-Y. Kwon*, "Near room-temperature synthesis of transfer-free graphene films", Nature Communications, 3, 645 (2012).
2. S.-Y. Kwon, C. V. Ciobanu, V. Petrova, V. B. Shenoy, J. Bareno, V. Gambin, I. Petrov, S. Kodambaka*, "Growth of semiconducting graphene on palladium", Nano Letters 9(12) 3985-3990 (2009)
3. S.-Y. Kwon*, S.Y. Kim, K. Park. J. Kwak, J.H. Chu, J.-K. Choi, "Graphene sheet, transparent electrode, active layer including the same, display, electronic device, optoelectronic device, battery, solar cell and dye-sensitized solar cell including the electrode or active layer", PCT/KR2011/005438
4. S.-Y. Kwon*, K. Park, E. Yoon, J. Kwak,"Method for manufacturing graphene, transparent electrode and active layer comprising the same, and display, electronic device, optoelectronic device, battery, solar cell and dye-sensitized solar cell including the electrode and the active layer", PCT/KR2011/001092

미래의 대체 에너지원으로 각광을 받고 있는 실리콘 태양전지는 재료비 대비 고효율 소자 제작이 현재의 가장 큰 관심사이다.
이를 위한 주요 과제들로 고품위의 물질 구현을 통한 전기적 특성 향상 및 광 수집 효율 증대 방안 등을 들 수 있다.
  Bottom-up 방식의 실리콘 나노선 태양전지는 일반적인 식각 과정이 불필요하므로 재료를 근본적으로 절감할 수 있으며, 합성 과정 중에 물질의 치환이 용이해 다양한 기능의 소자를 구현할 수 있다.
하지만 지금까지의 실리콘 나노선 연구는 고품위 실리콘 재현의 어려움으로 인해 고효율 태양전지 소자 실현이 사실상 불가능하였다.
  본 연구에서는 화학적 증기 증착(CVD) 방식을 통해 육각기둥 형태의 고품위 단결정 실리콘 나노선을 성장하고, 성장 과정 중에 내부 코어, 중간 껍질, 외곽 껍질 층에 각기 다른 dopant를 적용한 p-i-n형의 단일 나노선 태양전지 구현에 성공하였다.

본 연구에서 개발된 실리콘 나노선의 물질 특성을 조사하기 위해 투과전자현미경을 이용한 나노선 단면 촬영 및 격자 구조 분석을 실시하였으며, 이를 통해 성장된 나노선이 고품위의 단결정 실리콘 재질로 구성되어 있음을 확인하였다.
또한, 성분 분석 장치를 통해 나노선 내부의 코어 및 각 껍질 층이 성장 과정 중에 의도했던 dopant로 채워져 있음을 증명하였다.
  실리콘 나노선은 외곽 껍질의 일부분을 식각하여 코어 부분을 드러내고, 코어가 드러나지 않은 외곽 껍질과 내부 코어 각각에 n형 및 p형 전극을 올리게 되면 태양전지 소자로서 작동하게 된다.
제작된 단결정 실리콘 나노선 태양전지 소자의 I-V 특성 측정 결과 0.5 V의 개방전압 및 1 fA 이하의 누설 전류 특성을 기록하였다. 이는 현재까지 보고된 나노선 태양전지 소자 중에서 최고의 값이며, 범위를 산업에서 개발하고 있는 박막형 실리콘 태양전지로 확장하더라도 동등한 수준에 근접한 것이다.
  단결정 실리콘은 낮은 물질 흡수로 인해 본질적으로 전류 밀도가 작다는 단점이 있다. 하지만 본 연구의 실리콘 나노선은 크기가 약 300 nm에 불과함에도 그 자체로 미세 공진기로서 작동할 수 있으며, 공진기 내에 존재하는 공진 모드와 입사하는 태양광 사이의 강한 상호 작용을 통해 높은 광 수집 효율을 기대할 수 있다.
본 연구에서는 스펙트럼 분석 및 전자기 계산을 통해 나노선 내부에 존재하는 공진 모드의 존재를 입증하였으며, 실제로 실리콘 나노선은 같은 두께의 박막형 구조에 비해 약 2배 이상 증가한 전류 밀도를 기록하였다.     
  본 연구에서는 실리콘 나노선 소자의 추가적인 전류 밀도 향상을 위해 나노선을 수직 방향으로 두 층까지 쌓는 것에 성공하였으며, 이를 통해 약 25 mA/cm2의 전류 밀도를 기록할 수 있었다.
전자기 계산에 의하면 동일 방식을 통해 1 μm 두께까지 나노선을 적재하였을 때 약 13%의 효율이 예상되며, 이는 현재 개발되고 있는 박막형 태양 전지 소자의 수준을 훨씬 뛰어넘는 것이다.
  실리콘 나노선을 이용한 태양전지 개발은 CVD 방식을 통해 개별 나노선을 이루는 물질을 자유롭게 조작할 수 있다는 장점과 더불어 빛의 파장보다 작은 크기의 공진기가 가지고 있는 고유한 공진 모드 특성으로 인해 향후에도 활발한 연구가 이어질 전망이다.

▶소속 : 고려대학교 정보통신대학 뇌공학과

● 학    력

▶1980 ∼ 1984    서울대학교 계산통계학과 학사
▶1984 ∼ 1986    KAIST 전산학과 석사
▶1986 ∼ 1989    KAIST 전산학과 박사

● 경    력

▶1995 ∼ 현재
▶1997 ∼ 2008
▶2008 ∼ 현재
▶2009 ∼ 현재
▶2009 ∼ 현재
고려대학교 정보통신대학 뇌공학과 정교수
고려대학교 인공시각연구센터장
고려대학교 WCU 뇌공학융합연구사업단장
고려대학교 현대·기아차 석좌교수
한국과학기술한림원 정회원, IEEE Fellow

● 주요업적 : 컴퓨터 비전 기반의 휴먼 동작 자동 분석 및 인식 기술 개발
□ 기계학습 기법을 바탕으로 컴퓨터가 동영상에서 의미있는 휴먼 동작을 자동으로 검출함과 동시에 인식할 수 있는 독창적인 기술을 개발함
□ 특히, 가장 복잡한 휴먼 동작인 수화 동영상에서 의미 있는 수화 동작들을 자동으로 검출함과 동시에 인식 가능한 독창적인 알고리즘을 개발함으로써, 컴퓨터 비전 및 패턴 인식 분야에서 오랜 난제로 여겨졌던 동영상에서의 휴먼 동작 자동 검출 및 인식에 대한 문제 해결의 돌파구를 제시하였다는 점에서 학계의 커다란 주목을 받고 있음

소형 분광계는 광학, 화학, 해양공학 등 다양한 산업 분야 전반에 걸쳐서 핵심 기구로 사용되고 있다.
최첨단 기술의 소형 분광계는 비용을 감소시키기 위한 방법으로 배열필터를 사용한다.
배열필터란 그림 1에서 볼 수 있듯이, 필터를 배열해서 한 곳에 집약하여 생산하는 구조를 말한다.
나노공정을 이용한 배열필터 기술은 분광계의 크기를 초소형화 하고, 이에 따른 대량 생산으로 생산가격을 크게 절감시킨다.
이러한 공정으로 생산된 소형 분광계는 실험실 밖 산업 현장에서 물체의 특성을 측정하는데 큰 도움이 된다.
또한 컴퓨터 또는 다른 전자 기기와도 쉽게 접목하여 함께 사용할 수 있다.
이 밖에도 배열필터 기반의 분광계는 광원의 스펙트럼 정보를 단시간에 측정할 수 있는 장점이 있다.

그림 1. 디지털 신호 처리를 이용한 배열필터 기반의 분광계 시스템

4. 주요연구업적
1.  R. Vinjamuri, M.Sun, C.C. Chang, Heung-No Lee, R. Sclabassi, and Z.-H. Mao, "Temporal Postural Synergies of the Hand in Rapid Grasping Tasks, "IEEE Trans. on Information Technology in Biomedicine, vol. 14, no. 4, pp.986-994, Jul. 2010.
2. R. Vinjamuri, M. Sun, C.-C. Chang, Heung-No Lee, R. J. Sclabassi, and Z.-H. Mao. "Dimensionality reduction in control and coordination of the human hand," IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 57(2), pp.284-295, Feb. 2010.
3. Cheng-Chun Chang, Zhi-Hong Mao, and Heung-No Lee, "A fast BER evaluation method for LDGM codes," Journal of the Frankilin Institute, vol. 347, issue. 7, pp. 1368-1373, 2010.
4. J. Zhang and Heung-No Lee, "Energy-Efficient Utility Maximization for Wireless Networks with/without Multipath Routing, "International Journal of Electronics and Communications, May. 2009. Volume 64, Issue 2, February 2010, Pages 99-111.
5. Cheng-Chun Chang, Zhi-Hong Mao, and Heung-No Lee, "MB iterative decoding algorithm on systematic LDGM codes: Performance evaluation," Signal Processing, vol. 90, issue. 1, pp. 373-377, 2010
6. Mir H. Mahmood, C.C. Chang, Z.H. Mao and Heung-No Lee, "Throughput Behavior of Link Adaptive 802.11 DCF with MUD Capable Access Node," AEU International Journal of Electronics and Communications, July 2008. doi:10.1016/j.aeue.2009.10.007.
7. Cheng-Chun Chang, Zhi-Hong Mao, and Heung-No Lee, "Majority Rule Based Iterative Decoding Algorithm for LDGM Codes," vol. 90, Issue 1, pp. 373-377, Signal Processing, Jan. 2010.
8. Heung-No Lee, J. Zhang, C.W. Choi, "General random coding bounds: AWGN channels to MIMO fading channels," Annals of Telecommunications, vol. 65, issue. 1, pp. 87-99, 2010
9. Z.-H. Mao, Heung-No Lee, R. Sclabassi, and M. Sun, "Information Capacity of the Thumb and Index Finger in Communication," IEEE Trans. Biomedical Engineering, Vol. 56, No. 5, pp. 1535-1546, May. 2009.
10. R. Vinjamuri, D.J. Crammond, D. Kondziolka, Heung-No Lee, and Zhi-Hong Mao, "Extraction of Sources of Tremor in Hand Movements of Patients with Movement Disorders," vol. 13, no.1, pp. 49-56, IEEE Trans. on Information Technology in Biomedicine, Jan. 2009.
11. Heung-No Lee, J. Zhang, and C.W. Choi, "Random coding bounds for MIMO channels," Annals of Telecommunication, Dec. 23rd, 2008.
12. J. Zhang and Heung-No Lee, "Performance analyses on LDPC coded system over quasi-static (MIMO) fading system," IEEE Trans. on Communications, vol. 56, issue 12, pp. 2080-2093, Dec. 2008.
13. X. Song and Heung-No Lee, "Multimode Precoding for MIMO Systems Performance Bounds and Limited Feedback Codebook Design," IEEE Trans. on Signal Processing, vol. 56, no. 10, pp. 5296-5301, Oct. 2008.
14. J. Zhang and Heung-No Lee, "Throughput Enhancement with a Modified 802.11 MAC Protocol with Multi-User Detection Support," International Journal of Electronics and Communications, vol. 62, issue 5, pp. 365-373, May, 2008.
15. Cheng-Chun Chang and Heung-No Lee, "A Fast Simulation Method for LDGM Codes," Journal of the Franklin Institute, May 2008.
16. C.C. Chang and Heung-No Lee, "On the Estimation of Target Spectrum for Filter-Array Based Spectrometers," Optics Express, vol. 16, no. 2, pp. 1056-61, Jan. 2008.
17. J. Wu and Heung-No Lee, "Performance analysis for LDPC coded modulation in MIMO multi-access Systems," IEEE Trans. on Communications, vol. 55, no. 7, pp.1417-1426, July, 2007.
18. J. Zhang and Heung-No Lee, "Performance analysis of LDPC-Coded Space-Time Modulation over MIMO Fading Channels," IEEE Communications Letters, vol. 11, Issue 3, pp. 234 ? 236,   March 2007.
19. J. Zhang and Heung-No Lee, "A Performance bound on random-coded MIMO systems," IEEE Communications Letters, vol.10, no.3, pp.168-170, March, 2006.
20. J. Zhang and Heung-No Lee, "Union bounds on LDPC coded modulation systems over fast fading MIMO channels," vol. 9, no.9, pp. 796-798, IEEE Communications Letters, Sept.  2005.
21. Heung-No Lee and X. Hu, "Robust Iterative tree-pruning detection and LDPCC decoding," IEEE Journal of Selected Areas on Communications, vol. 23, no.5, pp. 1013-1025, May 2005.
22. Heung-No Lee and G. J. Pottie, "Fast adaptive equalization/diversity combining for time varying dispersive channels", IEEE Transactions on Communications, vol. 46, no. 9, pp 1146-1162, Sept. 1998.

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.

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.

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.

1. 인적사항 

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

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. 

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.
유리기판에 코팅된 그래핀 필름' height=195>

(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.   
 
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.    

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.

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).

그림1. 영구자석과 자성입자를 이용한 초분자체 기반 형광센서 칩의 질병 검지 시스템 모식도

본 연구에서 제안된 자성입자와 영구자석을 이용한 초분자체 형광센서는 기존의 센서에 비해 다음의 우수한 특성을 나타낸다.
1) 초분자체의 특성으로 인해 다른 표지화가 필요하지 않고, 실시간으로 분석이 가능하며, 칩 형태로 소형화 및 휴대용 센서의 개발에 용이하다.
2) 추가적인 단계와 시설의 증가 없이 편리하고 신속하게 신호를 증폭시켜 신뢰도가 높고 고민감도의 센서를 구현할 수 있다. 

본 연구에서 제안한 신호증폭 시스템은 간단한 단계를 거쳐 기존 시스템의 단점을 보완하여 신호를 효과적으로 증가시켜 센서의 민감도를 높이고, 검출영역을 확대함으로써 진일보한 센서 시스템의 토대를 마련하였으며, 이를 이용하여 다양한 질병의 검지와 조기진단 등 광범위한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

영상물

출품 규격

분량: 1분 이상 3분 이하의 동영상, 플래시 등 자유

형식: avi 또는 wmv 파일, 해상도 640 x 480 픽셀 이상

용량: 100MB 이하

웹툰

5컷 이상의 웹툰 완결본 원고 1편

JPG 이미지 파일로 가로 최대 690 픽셀

구분

인원

시상품

최우수상

1명 혹은 1팀

한국연구재단 이사장상 및 상금 200만원

우수상

1명 혹은 1팀

한국연구재단 이사장상 및 상금 100만원

참가상

수상자를 제외한 참가자/팀 전원

5만원 상당 상품권 제공

4. 전문 분야 정보
- 면역, 호흡기학 및 임상이비인후과학 SCI논문 140여 편

5. 수상 경력
2004. 03. 27  제 9회 서울특별시 의사회 의학상 대상
2008. 05. 02 대한의사협회 의과학상 우수상
2009. 12. 22 연세대학교 우수연구실적 교수 표창

2. 학력
  1980 - 1984    고려대학교 농학사
  1984 - 1986    KAIST 이학석사 (생화학)
  1986 - 1989    KIST 이학박사 (생화학)
 
3. 경력사항
  1990 - 1992  KIST 유전공학연구소, Post-doc
  1993 - 1997 美 NIH, visiting fellow
  1998 - 1999     이화여자대학교 생명과학과 조교수
  1999 - 2002     이화여대 분자생명과학부 조교수
  2002 - 2007     이화여대 분자생명과학부 부교수
  2007-  현재     이화여대 분자생명 과학부 교수

▶성명 : 박배호 (朴培昊)
 ▶소속 : 건국대학교 물리학부 양자 상 및 소자 전공

● 학    력

▶1999. 8, 서울대학교, 응집물질물리학, 박사
▶1995. 2, 서울대학교, 응집물질물리학, 석사
▶1993. 2, 서울대학교, 물리학, 학사

● 경    력

▶1999.11 ~ 2001.8
▶2001.9 ~ 2006.8
▶2006.8 ~ 2010.8
▶2007.1 ~ 2008.12
▶2010.9 ~ 현재
Los Alamos National Lab. 박사후 연구원
건국대학교 조교수
건국대학교 부교수
한국물리학회 물리올림피아드 행사위원장
건국대학교 정교수

● 주요업적 : 그래핀 미세주름 구조 연구
그래핀에 미세주름의 방향이 다른 구역이 존재함을 밝히고, 열처리 공정을 이용한 구역 구조 제어 방법을 개발하여 이 분야의 국내 발전에 기여함.