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'그래핀 산화물'에 해당되는 글 1

  1. 2012.01.30 그래핀으로 만든 10억 분의 1m 두께 투명필름

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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