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투명전극(transparent electrode)은 빛 투과율이 높고 전기 전도성이 있는 박막으로, OLED, 평판 디스플레이, 태양전지의 필수 부품입니다.

투명전극 필름의 원료는 '제2의 희토류'로 불릴 정도로 희귀한 인듐이 사용됩니다.

인듐은 전기가 잘 통해 TV나 스마트폰에 쓰이는 투명전극 필름의 원재료로 현재 널리 사용 중입니다.

하지만 인듐은 광석 1톤당 0.05g밖에 존재하지 않고, 그마저 항상 주석이나 납과 함께 존재하기 때문에 생산이 쉽지 않습니다.

게다가 인듐으로 만든 투명전극 '인듐주석산화물(ITO)'은 구부릴 경우 부서지기 때문에 휘어지는 디스플레이에는 적용하기 힘든 단점이 있습니다.

그럼에도 전자기기의 소재가 되는 희귀광물은 국가 간 외교분쟁의 원인이 될 만큼 중요한 전략 자원으로 구하기조차 힘든 실정입니다.

은을 이용한 나노와이어는 인듐의 대체물질로 상대적으로 생산공정이 쉬운데다 가늘고 긴 형태를 가져 투명함과 휘어지는 성질도 우수합니다.

하지만 은나노와이어를 대면적 디스플레이에 활용하기 위해서는 산화 및 물리적 스트레스로부터 견딜 수 있도록 코팅하는 과정이 필요한데, 이를 기존 방식처럼 고분자로 코팅하면 표면이 두꺼워져 투명도와 전기전도도가 떨어진다는 문제점이 있었습니다.

성균관대 이효영 교수와 삼성전기 김운천 박사팀은  희소 금속인 인듐을 대체할 수 있는 은나노와이어(silver nanowire)에 산화그래핀으로 코팅, 안정성을 크게 높인 투명전극 원천기술을 개발했습니다.

산화그래핀으로 코팅된 은나노와이어는 유연한데다 저항성과 내구성이 강해, 향후 휘어지는 디스플레이와  태양전지 등의 개발에 크게 활용될 전망입니다.

연구팀은 은나노와이어를 단일 탄소층인 산화그래핀으로 코팅해 투명도는 떨어뜨리지 않으면서도 산화는 견딜 수 있도록 만들었습니다.

투명 전극 구조

연구팀은 서로 밀착하려는 친수성의 플라스틱 기판과 친수성의 산화그래핀 사이에 은나노와이어를 위치하도록 하면 플라스틱 기판과 은나노와이어의 밀착력을 크게 높일 수 있다는 점을 주목했습니다.

산화그래핀/은나노와이어 필름의 표면 이미지로 은나노와이어 간의 유효 접촉점을 보여줌.

이를 통해 높은 투명도와 전기전도도, 낮은 빛반사를 동시에 만족시킬 뿐만 아니라 2개월 이상 공기에 노출시켜도 산화되지 않는 특성이 생겼습니다.

이번 연구를 통해 인듐에 비해 공정이 쉽고 대량생산이 가능한 은나노와이어와 산화그래핀을 이용할 수 있게 되어 향후 투명전극 시장에 큰 영향을 미칠 것으로 기대됩니다.


제조된 대면적 투명전극 필름 (100 × 50 cm2, 대각선 : ~44 인치)과 그 모식도

연구 결과는 네이처 자매지 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)' 1월 23일자 온라인판에 게재되었습니다.
(논문명: 2D Graphene Oxide Nanosheets as an Adhesive Over-Coating Layer for Flexible Transparent Conductive Electrodes)

<연 구 개 요>

1. 서론

 휘어지는 전자기기에 대한 수요가 증가함에 따라 이에 적합한 트랜지스터, 발광다이오드, 투명전극체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그 가운데 은나노와이어는 투명전극으로 광범위하게 적용되고 있는 인듐주석산화물(ITO)을 대체할 물질로 주목받고 있다.

  은나노와이어는 용액 공정에서 생산할 수 있어 공정이 비교적 쉽고, 대량생산이 가능하여 원가경쟁력을 갖는다.
뿐만 아니라 금속의 일종으로 소량으로 저저항을 구현할 수 있고 가늘고 긴 형태상의 특성으로 인해 기판이 휘어져도 깨어지지 않아 플랙서블을 지향하는 기기에 적용 가능하다.

  하지만 은나노와이어를 기반으로 하는 투명전극 제조에서 가장 큰 문제점은 산화 및 물리적 스트레스를 방지하기 위해 은나노와이어 위에 부가적인 코팅막이 필요하다는 것이다.
이때 코팅막에 따라 은나노와이어의 저항을 증가시키기도 하고 투명도를 낮추기도 하는데, 산소 작용기를 가진 산화그래핀을 이용하여 이러한 문제점을 해결할 수 있었다.

2. 본론
  본 연구에서는 절연성을 갖는 산화그래핀을 은나노와이어를 보호하는 코팅막으로 사용하여 공기 중에 2개월 이상 장기간 노출해도 특성이 전혀 변하지 않는 휘어지는 대면적 투명전극체를 제조하였다.
  산화그래핀은 단일층으로 이루어진 탄소 나노물질로써 높은 투과율과 함께 유기용매, 열, 빛, 가스(H2S)등에 내구성을 가져 보호층으로 사용하기에 적절하다. 뿐만 아니라 산화된 그래핀의 친수성 때문에 물에 잘 분산되어 친환경적이고 공정이 쉽고, 친수성 기판과 강하게 접착되어 투명전극의 안정성, 균일도 및 투과율을 높일 수 있다.
   친수성 기판과 강하게 결합된 산화그래핀은 은나노와이어를 효과적으로 잡아주는 역할을 하여 은나노와이어만을 적층한 투명전극보다 약 2배이상 저항을 낮춰주었고, 면저항의 균일도를 14배 증가시켰으며 헤이즈(Haze)와 투과율(Transmittance) 또한 향상시켰다.
또한 기계적 안정도를 측정하기 위한 휘어짐 테스트 결과, 기판이 휘어지는 동안 산화된 그래핀이 은나노와이어의 유효 접촉점이 떨어지는 것을 방지하여 저항변화 측면에서도 유효한 차이를 보였다.

3. 결론
  산화그래핀의 절연성, 친수성, 안정성 등의 고유 특성을 고려하여 친수성을 가지는 휘어지는 투명기판 위에 은나오와이어를 적층, 그 후 산화그래핀을 스프레이 코팅하여 안정하고 내구성이 좋은 투명전극을 시현해 보았다.
제조된 투명전극은 산화그래핀 막의 유무에 따라 공기 중에서의 저항 변화, 저항의 균일도, 필름의 투명도, 은을 부식시킬 수 있는 황화가스와 기타 용매에 대한 안정성, 물리적 스트레스에 대한 내구성을 비교 조사하였고 그 결과 각각의 항목에서 산화그래핀 보호막을 사용한 경우 전극의 질이 향상된 것을 관찰할 수 있었다. 

  또한 종래 사용되고 있는 아크릴 리신, PVA(Polyvinyalcohol), PEDOT:PSS, TiO2/PEDOT;PSS, Teflon, 은나노와이어/폴리머 복합체 등과 비교했을 때도 저항성과 내구성면에서 보다 나은 결과를 얻었다. 이처럼 공기 중에서 안정한 그래핀/은나노와이어 투명전극 개발을 통하여 향후 휘어지는 디스플레이, 접이식 터치 패널, 플랙서블 태양전지로 적용이 가능할 것으로 기대된다.


 용  어  설  명

그래핀(Graphene)
육각형 구조로 탄소와 탄소간 공액 결합으로 연결되어 있는 하나의 층을 말한다.
높은 전도성과 전하 이동도를 갖기에 응용  가능성이 매우 높은 물질이다.
이중 용액과정으로 만들어진 산화그래핀은 그래핀에 다양한 기능기가 붙은 산화된 형태를 말한다.  

 

그래핀의 격자구조 모식도


나노와이어(nanowire)
단면의 지름이 나노미터(1나노는 10억분의 1미터) 단위인 극미세선으로 금속성(Ni, Pt, Au 등)과 반도체(Si, InP, GaN, ZnO 등), 절연성(SiO2, TiO2 등) 등 많은 종류의 나노와이어가 존재한다.
은나노와이어의 경우 필름으로 제조하는 공정이 쉽고, 대량생산이 가  능할 뿐만 아니라 상대적으로 가격이 싸다.
또 나노와이어의 가늘고 긴  형태로 인해 투명하고 휘어져도 깨어지지 않아 휘어짐이 요구되는 투명  기기에 적합하다.

투명전극(transparent electrode)
광 투과성과 도전성이 있는 전극. 산화 주석, 산화 인듐, 백금, 금 등의 박막을 유리에 피복한 것이 사용된다.
생체 관련 물질의 산화-환
원 거동과 각종 재료의 일렉트로크로미즘 연구용, 태양전지와 액정표시 패널용 등에 불가결한 전극이다.  

<이효영 교수> 

1. 인적사항

소 속 : 성균관대학교 화학과

2. 학력

1997 University of Mississippi 유기화학 박사
1991 경희대학교 분석화학 석사
1989 경희대학교 화학 학사

3. 경력사항
2009 ~ 현재 : 성균관대학교 화학과 교수
2000 ~ 2009 : 책임연구원, 한국전자통신연구원 분자메모리소자팀(팀장)
1999 ~ 2000 : 선임연구원, 포항공과대학교 화학과, 지능초분자 연구단
1997 ~ 1999 : 박사후연구원, North Carolina State University, 화학과
1984 ~ 1986 : 육군 1군지사 (현역, 병장제대)   

4. 전문 분야 정보
- 분자전자 소재 및 소자
- 나노전자소자, 전자수송 현상
- 유기반도체 소재 및 소자 
- 유기전계발광 소재 및 소자
- 산화그래핀 소재 및 소자

5. 연구지원 정보
  2006 - 현재  교과부?연구재단 리더연구자지원사업[창의적 연구] 연구책임자

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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2012. 2. 28. 00:00 대덕밸리과학소식/KAIST

평판 디스플레이 산업은 21세기 정보화 산업을 주도하는 핵심 산업으로, LCD를 중심으로 활발히 연구되고 있습니다.

이는 우리나라가 세계시장의 50% 이상을 점유하고 있는 세계선도 산업이기도 합니다.

LCD에는 전기광학소자로서 액정을 구동시키기 위해 여러 기술이 집약되는데, 특히 표시 소자의 품질과 기능을 좌우하는 가장 기본적이면서 핵심적인 기술이 LCD를 구동하기 위해 사용하는 액정(Liquid Crystal)을 한쪽 방향으로 정렬하는 액정배향기술입니다.

현재 모든 LCD 제품의 액정배향기술은 얇은 고분자 필름 표면에 일정한 방향으로 기계적으로 홈을 파고, 그 홈을 따라 액정 물질을 배향시키는 기법이 적용됩니다.

그러나 고분자 배향막은 고분자 설계 합성부터 후처리까지 많은 시간과 비용이 소비되고, 고분자 안정화를 위한 고온공정은 자유롭게 기판을 선택할 수 없게 하여, 자유자재로 휘어지는 디스플레이 등 차세대 디스플레이에 활용하기 힘든 기술적 한계가 있었습니다.

기존 LCD와 달리 고분자 배향막이 필요 없는 신개념 LCD 기술이 개발됨에 따라 더욱 얇고 고화질에 속도도 빠른 차세대 디스플레가 나올 전망입니다.


□ KAIST 정희태 교수팀은 고분자 배향막 없이 LCD에 사용되는 투명한 전극용 유리막(ITO)만을 이용해 액정을 배향시키는 무배향막 기술을 개발했습니다.

정 교수팀의 원천기술인 신개념 방식의 패턴기법을 전극용 유리막에 적용하여 20nm의 높은 분해능과 높은 종횡비를 갖는 패턴을 형성한 후에도 투명전극의 고유 성질인 전도도와 투과도가 변함없이 유지되어, 배향막과 투명전극의 기능을 동시에 수행할 수 있음이 확인됐습니다.

연구팀이 개발한 기술은 고분자 배향막 없이 투명전극 패턴만을 이용하여 액정의 수평(혹은 수직) 배향 모두 가능합니다.

따라서 제조공정이 기존의 배향막 공정시간만큼 단축되었을 뿐만 아니라, 현재 사용하고 있는 LCD보다 수 ㎛에서 ㎝까지 더욱 얇게 LCD를 만들 수 있습니다.

(좌) 초고분해능(폭 20nm, 높이 200nm)과 고종횡비를 가지는 ITO 패턴의 모습 (우) ITO 패턴 (노란 점선)만을 이용한 액정 배향 편광현미경 사진



또한 현재 LCD보다 더욱 낮은 구동전압과 빠른 응답속도 등의 특성을 보여 배터리 수명도 길고 화질이 좋으면서 속도도 빠른, 고화질 초고속 화면 디스플레이 개발에 가능성을 열었습니다.

이 기술은 어떠한 기판에도 적용할 수 있고, ㎚ 단위로 미세조절이 가능해 액정 기반의 플렉시블 및 멀티도메인 모드와 같은 차세대 디스플레이에도 적용할 수 있는 기술로 평가 받고 있습니다.

또한 연구팀이 개발한 투명전극 패턴기술은 디스플레이 분야뿐만 아니라 투명전극 기판이 쓰이는 민감도가 크게 향상된 터치패널에도 활용될 수 있습니다.

이번 기술은 고분자 배향막이 필요 없고, LCD에 사용했던 기판을 그대로 활용하여 구동할 수 있다는 점에서 산업적 의의가 매우 큽니다.

이번 연구는 KAIST 정희태 석좌교수(교신저자)가 주도하고 정현수, 전환진 박사과정생(공동1저자), 한국화학연구원 김윤호 박사와 전북대학교 강신웅 교수(공동 교신저자) 등이 참여했습니다.

연구결과는 '네이처'의 자매지 'Nature Asia Materials(NPG Asia Materials)' 온라인 속보(2월 17일)에 게재되었습니다.
(논문명 : Bifunctional ITO layer with a high resolution, surface nano-pattern for alignment and switching of LCs in device applications)

장성우 연구원, 전환진 연구원, 이은형 연구원(왼쪽부터)이 ITO 패턴 제작을 위한 ion-bombardment 공정장비의 상태를 점검하고 있다.


 용  어  설  명

ITO (Indium Tix Oxide) :
ITO (인듐주석산화물): 산화 인듐과 산화주석의 혼합물로서 흔히 투명전극이나 ITO라고 한다.
얇은 박막에서 투명하고 전기전도율이 좋아 평판디스플레이, 터치스크린, 태양전지등 다양한 분야에서 투명도와 전도도가 요구되는 기판으로 사용되고 있다.
ITO를 다양한 방식으로 패턴하여 산업계에 적용시키려는 연구가 많이 진행되어 왔으나 패턴 형성 시 저항이 급격하게 올라가 전도도가 떨어져 전극으로서의 기능을 수행할 수 없었다.
따라서 고분해능의 패턴 형성 후에도 전도도와 투과도가 유지되는 것이 큰 난제였다.

액정(Liquid Crystals) :
액체와 같이 유동성이 있으면서 고체적인 특성을 나타낸다. 전기적 특성이 매우 뛰어나 LCD 구동을 위한 핵심 물질로 사용된다. 자연계에는 네마틱, 스메틱, 콜레스테릭 등 다양한 종류의 액정이 존재한다.

고분자 배향막 :
액정 배향(配向)을 위해 투명전극위에 도포하는 얇은 고분자 필름

표시소자(indicating element) :
부호나 문자, 도형, 화상 등 또는 그 조합된 정보를 입력에 대응하여 표시하기 위한 소자

<연 구 개 요>

Bifunctional ITO layer with a high resolution, surface nano-pattern for alignment and switching of LCs in device applications (나노 패턴이 형성된 투명전극을 이용한 무배향막 액정 배향)

현재 세계의 평판 디스플레이 산업은 21세기 정보화 산업을 주도하는 핵심 산업으로 LCD(Liquid Crystal Display)를 중심으로 활발한 연구가 진행 중이며, 한국이 세계시장을 50% 이상을 점유하고 있는 세계선도 산업이다.
LCD는 대표적인 평판디스플레이 소자로서 경량, 저 전압 구동 등 차세대 디스플레이의 요구에 가장 잘 부합하고 있으며 대화면화와 고화질의 구현을 위해 세계 각국에서 기능과 품질향상을 위한 노력이 활발하다.
액정을 전기광학소자로써 구동시키기 위해서는 필수적인 기술은 균일한 액정배향기술이다.
그 동안의 액정 배향 기술은 모두 고분자 배향막에 의존하여 왔다. 하지만 고분자 배향막은 고분자 설계 및 합성부터 후처리 공정까지 많은 시간과 비용이 소비되며 고분자 안정화를 위한 고온 공정은 기판 선택의 자유도가 떨어지는 단점이 있다. 그리고 플렉서블 디스플레이 및 멀티도메인 모드와 같은 미래 디스플레이 모드에 고분자 배향막은 대응하기 힘들어 기술적 한계에 부딪히고 있다.
또한 액정배향막 시장은 현재 액정 소재를 독점하고 있는 일본이 독점하고 있으며 일본 기업과의 정보 공유를 통한 공동 연구만을 통해서 기술 발전을 이루고 있는 실정이다.
따라서 고분자배향막을 대체할 연구가 시급한 실정이며 궁극적으로는 고분자 막이 아닌 다른 공정을 통해서 액정의 거동을 제어할 수 있는 원천 기술의 확보가 향후 차세대 디스플레이 세계시장을 선점할 수 있는 중요한 연구이다.

본 연구는 액정 배향 연구의 일환으로 디스플레이용 투명 전극 (ITO) 자체를 나노 패터닝하여 고분자 배향막 없이 액정을 배향하고, 이를 이용한 디스플레이 소자로의 응용 연구이다.
본 연구진은 2차 증착 현상기반 새로운 리소그래피 방법으로 투명전극 표면을 패터닝하여 액정과 패턴 간의 순수한 물리적 결합에 의해 액정을  배향하였다.
주사전자 현미경 및 EDX 촬영을 통해 고분해능/고종횡비 ITO 패턴이 형성되었다는 것을 확인하였다.
기존의 투명전극 패턴기술은 저분해능/저종횡비의 패턴이 형성될 뿐만 아니라 패턴 형성시 저항이 급격하게 올라가 투명전극으로서의 역할을 더 이상 못하게 된다.
하지만 본 연구의 기법으로 제작한 투명전극은 1) 패턴 형성 후 투과도 및 전도도의 저하가 거의 없어 투명전극으로서의 기능을 유지하는 동시에 2) 고 종횡비 (aspect ratio, 10)를 갖는 고 분해능 (high resolution, 20 nm)의 패턴이 형성되어 액정 분자체와 높은 결합에너지 (anchoring energy)를 물리적으로 형성할 수 있어 매우 안정적이며 고른 액정 배향을 대면적에 구현할 수 있다.
이는 식각과 증착이 동시에 일어나는 2차 증착 현상에 기인한 것으로서 전자현미경 분석 결과 약 15nm의 ITO 층이 희생되어 150 nm 이상의 높이를 가지는 패턴을 형성되었다는 것을 확인하였다.
본 연구진은 1차원 선 패턴이 형성된 투명 전극기판을 이용하여 디스플레이의 범용모드인 ECB, TN 모드를 구현하였으며 패턴이 형성된 전 영역에서 액정 분자체들이 각 모드에 따른 배향을 매우 잘 보여주는 것을 확인하였다.
광전자 특성 평가 결과 낮은 구동전압 (< 0.7V)과 빠른 응답속도 ( < 5ms) 그리고 우수한 광전자 특성을 보여 디스플레이에 응용할 수 있음을 보였다.
또한 Berreman 이론에 입각하여 패턴의 높이와 간격을 세밀하게 조절함으로써 액정 배향에 필요한 critical anchoring 에너지를 실험적으로 확인하였다.
상기 연구결과들은 투명전극 고유의 물성을 유지하면서 배향막 역할을 동시에 하는 bifunctional alignment layer가 형성되었다는 것을 뒷받침해준다.
투과도 및 전도도 저하 없이 정교한 미세 나노 패턴이 형성된 투명전극을 이용하여 물리적으로 액정을 수평 및 수직배향 모드를 구현한 사례는 아직 학계에 보고된바가 없다.
또한 고분자 배향막 기술에 비해 경제적 효과 및 더욱 뛰어난 소자특성이 기대되 산업적으로도 매우 가치있는 연구이다.
더 나아가 본 기술은 디스플레이 분야 뿐만 아니라 투명전극이 쓰이는 다른 분야 (터치패널, 유기태양전지) 에도 다각적으로 활용될 수 있어 미래 전자제품 원천기술로서 의의가 크다.

<정희태 교수>

1. 인적사항
 
○ 주소: 대전시 유성구 대학로 (구성동 373-1),
      한국과학기술원 (KAIST) 생명화학공학과


2. 학력
 1987  학사, 연세대학교, 화학공학과
 1989  석사, KAIST, 생명화학공학과
 1998            박사, 미국 Case Western Reserve University, 고분자공학과
 

3. 경력사항 
1989 ~ 1994     삼성종합기술원, 선임연구원
1998 ~ 2000    미국 캘리포니아대학, 박사후 연구원
2000 ~ 현재     KAIST 생명화학공학과, 정교수
2003 ~ 2005    한국생명공학연구원, 초빙교수
2007 ~ 현재     KAIST 화학과, 겸임교수
2007 ~ 현재     KAIST 나노연구소, 겸임교수
2009 ~ 2010    미국 국가표준연구소, 방문교수
2010 ~ 현재     Macromolecular Research 부편집장
2011 ~ 현재     KAIST, 석좌교수


posted by 글쓴이 과학이야기

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  1. 더 빠른 속도, 더 얇은 lcd가 생산된다면 상상 이상의 제품들이 많이 탄생될 것 같아요.ㅎㅎ카이스트에서 좋은 연구성과들이 이루어지고 있군요.

2011. 11. 29. 04:00 대덕밸리과학소식/KAIST

그래핀은 흑연(그래파이트)의 한 층 한 층을 이루는 얇은 막이 박리된 상태를 의미하며, 탄소 원자가 육각형의 규칙적인 평면 구조를 이루고 있습니다.
그래핀의 한 층은 매우 투명하고 높은 전기전도도를 보이기 때문에, 특히 현재 급격한 가격 상승을 보이는 Indium Tin Oxide(ITO) 투명 전극을 대체 할 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.
또 그래핀의 유연한 성질은 미래 산업에서 필요로 하는 유연하고 접을 수 있는 소자 및 초고속 반도체 소재로서 이용될 수 있습니다.
그래핀은 탄소 원자가 안정적으로 초박막 상태를 유지할 수 있는 구조로서, 양자홀 효과와 같은 특이한 물리적 성질을 보이기 때문에, 산업계는 물론 학계에서도 매우 높은 관심을 보이고 있는 신소재입니다.
하지만 그래핀을 실질적인 산업에 응용하기 위해서는 양질의 그래핀을 대량으로 생산할 수 있는 기술을 확보하는 것이 관건입니다.
 

꿈의 신소재 그래핀은 가장 우수한 전기적 특성이 있으면서도 투명하고, 기계적으로도 안정하면서 자유자재로 휘어지는 차세대 전자소재입니다.

그러나 현재 제조되고 있는 그래핀은 다결정성을 지니고 있어, 단결정일 때보다 상당히 낮은 전기적, 기계적 특성을 보입니다.

이것은 그래핀의 특성이 결정면의 크기와 경계구조에 큰 영향을 받기 때문입니다.

따라서 우수한 특성을 갖는 그래핀을 제조하기 위해서는 그래핀 결정면의 영역(도메인)과 경계를 쉽고 빠르게 관찰하는 것이 향후 그래핀의 물성을 크게 향상하고 상업화하기 위한 핵심기술입니다.

정희태 교수

KAIST 정희태 교수팀은 LCD에 사용되는 액정의 광학적 특성을 이용해, 그래핀 단결정의 크기와 모양을 대면적에 걸쳐 쉽고 빠르게 시각화할 수 있는 기법을 개발했습니다.

특히 그래핀의 단결정을 시각화함으로써, 단결정에서 얻을 수 있는 이론값에 가장 가까운 전기전도도를 직접 측정하는데 성공했습니다.

이번 연구는 우리나라가 보유한 세계 최고의 액정배향제어기술을 토대로, 대면적에 걸쳐 그래핀의 결정면을 누구나 쉽게 관찰할 수 있는 방법을 제시한 것입니다.

연구팀은 그래핀을 쉽게 대면적에서 관찰할 수 있는 기법을 개발하여 그래핀 상용화분야에서 원천기술을 획득했습니다.

또 그래핀을 이용한 투명전극, 플렉시블 디스플레이, 태양전지와 같은 전자소자 응용연구에도 한 걸음 다가섰습니다.

이번 연구는 정희태 석좌교수가 주도하고 김대우 박사과정생, 김윤호 박사(공동1저자), 정현수 박사과정생(제3저자)이 참여했습니다.

(왼쪽부터)정현수 박사과정생, 김윤호 박사, 김대우 박사과정생

연구 결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 'Nature Nanotechnology' 온라인 속보(11월 20일)에 게재되었습니다.
(논문명: Direct visualization of large-area graphene domains and boundaries by optical birefringency)


 용  어  설  명

결정면(crystal face) :
결정의 외형을 나타내는 평면으로 격자면과 평행인 면

액정배향제어기술 :
액정의 방향을 일정하게 만드는 기술

광학적 특성 :
어느 물질에 빛을 통과시키거나 반사시킬 때 생기는 특성

액정(Liquid Crystals)

액체와 같이 유동성이 있으면서 고체적인 특성을 나타낸다. 전기-광학적 특성이 매우 뛰어나 LCD 구동을 위한 핵심 물질로 사용된다. 자연계에는 네마틱, 스메틱, 콜레스테릭 등 다양한 종류의 액정이 존재하며, 현재 LCD에 사용되는 액정은, 기판의 표면성질에 따라 배향을 쉽게 조절할 수 있는 네마틱 계열의 액정물질이다. 비등방성(anisotropy)을 가지는 액정분자의 구조적인 특징 때문에, 고유한 전기-광학적 특성을 보인다. 본 연구에서는 그래핀 표면에서 일정방향으로 배향되었을 때 나타나는, 액정물질의 굴절률 차이(복굴절, birefringency)를 이용함으로써 그래핀 도메인을 관찰할 수 있었다.

<연 구 개 요>

꿈의 신소재인 그래핀을 산업에 응용하기 위해서는 우수한 물성을 가지면서 대량의 그래핀 생산 기술을 확보하는 것이 최대의 관건이다. 2010년 Andre Geim 교수(Univ. of Manchester)가 스카치테이프를 이용하여 흑연에서 그래핀을 떼어내는 방법 이후에 수많은 그래핀 연구의 발전이 있어 왔으나, 현재까지 가장 큰 이슈 중의 하나가 이론적인 특성보다 상당히 낮은 전기적, 기계적 물성을 보인다는 것이다.

연구결과에 의하면, 이러한 문제의 가장 큰 원인이 현재까지 화학기상성장(CVD) 방법, 화학적 방법 등을 이용하여 합성된 그래핀이 다결정성을 이루어져 있어, 단결정을 가졌을 때 예상되는 이론적인 특성보다 상당히 낮은 전기적, 기계적 물성을 보인다. 이는 다결정성 그래핀에서 발생하는 도메인 간의 경계구조가 에서 전기적, 기계적 성질이 크게 영향을 미치기 때문이라고 알려져 있다. 따라서 이상적인 전기적 특성을 가지는 양질의 그래핀을 제조하기 위해서 그래핀의 도메인과 경계를 관찰하는 것이 그래핀의 상업화에 매우 중요하다.

이러한 그래핀 도메인 조절의 중요성에도 불구하고, 그 도메인과 경계를 쉽게 관찰하는 방법의 개발이 그래핀 연구에 있어서 가장 큰 난점 중의 하나로 여겨져 왔다. 기존의 라만 2D 맵핑(Raman 2D mapping) 분석, 저 에너지 전자 회절(Low Energy Electron Diffaction) 분석, 투과전자현미경(Transmittance Electron Microscopy) 분석으로는  그래핀의 도메인을 관찰하는데 많은 시간이 요구될 뿐 아니라, 그 관찰 범위 또한 수 마이크로로 제한적이라 현실적으로 불가능한 방법들이었다. 따라서 그래핀의 특성을 조절하기 위해서 범용적이며, 손쉽게 그래핀의 결정면을 관찰하는 방법이 최근 그래핀 연구의 핵심이다.

이에, KAIST 생명화학공학과 정희태 석좌교수 연구팀은 LCD에 사용되는 액정의 고유한 광학적인 특성을 이용하여, 대면적에 걸쳐 그래핀의 단결정의 크기 및 모양을 쉽고 빠르게 시각화 할 수 있는 기법을 개발하였다. 특히 그래핀 단결정을 시각화함으로써, 단결정에서 얻어질 수 있는 이론값에 근사하는 전기전도도를 직접적으로 측정하는 쾌거도 이루었다.

(좌) 그래핀 결정면을 따라 배향된 액정분자 배향 모식도(우) 광학현미경으로 관찰된 실제 그래핀 결정면의 모습

그림 (좌) 모식도에서 보는 바와 같이, 그래핀 표면에 형성된 네마틱 액정분자의 알킬분자구조는 그래핀 층의 육각형 구조의 지그재그 간격과 일치하기 때문에, 그래핀 층의 결정방향에 따라 각 도메인에서 적합한 방향으로 에피택시(epitaxy)하게 배향된다. 또한 액정 분자체에 포함된 벤젠링 구조는 sp2 혼성결합으로 이루어진 육각형 벌집모양의 그래핀 표면과 강한 상호작용을 하여, 액정 분자체의 배향은 그래핀 도메인 배향과 일치하여 배향될 수 있다. 이렇게 그래핀의 도메인에 따라 배향된 액정분자체의 복굴절 색상을 편광현미경으로 관찰하게 되면, 그림 (우)에서 보는 바와 같이 그래핀 도메인에 따라 액정 층이 각각 다른 색을 띄게 되어 그래핀의 도메인과 경계구조를 광학적으로 손쉽게 확인할 수 있다.
 
이러한 그래핀 결정면의 광학적 시각화 방법은 손쉬운 액정 코팅방법을 사용함으로써 그 작업이 단순하고 시간과 비용이 줄어드는 동시에 편광현미경으로 관찰 가능한 범위(~수cm 이상)의 매우 넓은 영역의 결정구조를 확인할 수 있어 그래핀 특성을 연구하는데 필수적이다. 이러한 액정코팅을 통해 그래핀 도메인을 관찰하는 기법은 CVD로 합성된 그래핀뿐만 아니라, 다양한 합성법(기계적 박리, 화학적 합성 등)으로 만들어진 모든 그래핀 도메인 관찰에 적용 가능한 기술로서, 향후 그래핀 소재 연구 분야에서 광범위하게 사용될 수 있을 것으로 예상된다.

세계적으로 반도체와 디스플레이에서 강한 면모를 보이고 있는 우리나라는 그래핀을 쉽게 대면적에서 관찰할 수 있는 기술까지 보유하게 됨으로써, 그래핀 상용화분야에서 원천기술을 갖게 되었으며, 그래핀을 이용한 투명전극, 플렉시블 디스플레이, 태양전지와 같은 전자소자 응용연구에 한 발짝 다가설 수 있게 되었다. 그래핀을 이용한 새로운 응용의 신기원을 열게 되었으며, 차세대 전자소자 산업분야에서 시장 선점 및 막대한 부가가치 창출 등을 통해 국가경쟁력 강화에 크게 기여할 것으로 기대된다.

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<탄소나노튜브 실이란?> 

탄소나노튜브 실은 순수하게 탄소나노튜브로만 이루어져 있고, 반데르발스 힘(Van der Waals Force)에 의하여 탄소나노튜브가 연속적으로 결합해 여러 가닥의 다발로 형성된다.

실리콘 기판 위 탄소나노튜브 성장 시에 탄소나노튜브 밀도를 조절하는 방법으로 기판위에 수직 배양된 탄소나노튜브로부터 직접 탄소나노튜브 다발을 잡아당기면, 탄소나노튜브들 사이에 반데르발스 힘에 의해 실처럼 계속적으로 뽑혀 나온다.

탄소나노튜브 실은 높은 탄성과 철의 100배에 달하는 강도를 가지고 있어서 방탄복에 유용하고 뛰어난 전기 전도도와 열전도 물성 때문에 기능성 복합직물로도 활용이 가능합니다.

탄소나노튜브는 지난 2002년에 첫 등장했지만, 아직 세계적으로 상용화가 안 된 소재입니다.

남승훈 박사

처럼 고성능 방탄복과 항공우주 분야 등 첨단산업 소재로 사용되는 탄소나노튜브 실을 만드는 기술이 KRISS(한국표준과학연구원) 재료측정표준센터 남승훈 박사 연구팀에 의해 개발됐습니다.


연구팀은 실리콘 기판 위에 길이가 300㎛(마이크로미터)와 12㎚(나노미터) 굵기의 탄소나노튜브를 수직으로 배양시킨 후, 이로부터 여러 가닥의 탄소나노튜브를 다발로 형성시켜 실 모양으로 뽑아내는 방법으로 기존의 제조기법을 크게 개선시켰습니다.

탄소나노튜브 실의 굵기는 1마이크로미터 이하로, 연구팀은 1ⅹ1 ㎠  실리콘 기판 위에 수직 배양된 탄소나노튜브로부터 수십 m 이상 길이의 실을 만들 수 있도록 했습니다.

이번 개발된 기술로 가느다란 탄소나노튜브 실 여러 가닥을 한꺼번에 뽑아낼 수 있으며, 탄소나노튜브 실에 폴리머와 같은 물질을 쉽게 코팅할 수도 있습니다.

이 기술을 이용하면 향후 탄소섬유 방직산업에도 폭넓게 활용될 전망입니다.

금속 표면에 고전압을 가했을 때 전자가 튀어나오는 전계방출현상이 탄소나노튜브 실에서는 보다 낮은 전압에서도 나타나 산업적 활용도 기대됩니다.

이는 휴대용 X-ray 튜브나 전자총 등에 활용 할 수 있으며, 휴대용 초소형 비파괴검사 시스템에도 사용될 수 있습니다.

또 연구팀은 이번 연구를 통해 전자현미경을 이용해 전계방출 시 탄소나노튜브들 사이의 상호 반발에 의한 실 끝부분의 형태 변화를 실시간으로 촬영하는데도 성공했습니다.

이번 기술 개발로 탄소나노튜브를 실 형태 뿐만 아니라 시트 모양으로 균일하게 뽑아낼 수 있게 됨에 따라, 대면적 탄소나노튜브 필름의 대량제조도 예상되고 있습니다.

탄소나노튜브 시트는 유연성이 좋고, 투과율과 전기 전도도가 높아 앞으로 터치스크린 소재인 ITO((Indium Tin Oxide)필름을 대체할 수 있을 전망입니다.

또한 탄소나노튜브 시트 필름 양단에 직류 12V를 가하면 시트 필름 표면의 온도가 상승, 이를 이용한 자동차 유리 김서림 방지용 히터 등에eh 활용 가능합니다.

이번 연구는 국제학술지인 '카본(Carbon)'에 게재됐습니다.

탄소나노튜브 실


진공 속에서 전계방출 시 변화하는 탄소나노튜브 실 끝의 모양 변화


<연구개요> 

Ⅰ. 과제개요

 ○ 사업명 : 나노메카트로닉스기술개발사업(교육과학기술부 21세기 프론티어연구개발사업)

 ○ 과제명 : 나노 패턴손상 및 복합물성 측정기술 개발

 ○ 연구책임자 : 남승훈 박사(한국표준과학연구원)

 ○ 참여자 :  유권상 박사, 이윤희 박사, 백운봉 박사, 김용일 박사, 장훈식 박사, 조용재 박사, 제갈원 박사, 조현모 박사, 정인현 책임연구원, 박종서 선임기술원, 전상구 연구원, 박수영 연구원, 이정표 연구원(이상 한국표준과학연구원)

 ○ 연구기간(3단계) : 2008. 4~2012. 3

 ○ 주요 연구성과 : 국내외 논문 발표 및 게재(121건), 국내외 특허출원 및 등록(33건), 나노구조체 복합물성 측정기술 및 센서 개발 해외특허 출원(PCT/KR2011/000145), 탄소나노튜브 실 제조기술 연구성과 "Carbon Vol. 49" 표지 등재(2011. 1)


 용  어  설  명

 카본(Carbon)지(http://ees.elsevier.com/carbon/)
 : 네덜란드 Elsevier 출판사에서 출간되며, 탄소관련 소재기술의 전반적인 분야를 다루는 전문 학술저널. 2009년  Impact Factor 4.506인 저널로 소재분야의 가장 권위있는 학술 저널중 하나로 인정받고 있다

전계방출(Field emission)
: 금속의 표면에 강전계를 가했을 때 상온에서 생기는 전자 방출 현상.

 

탄소나노튜브 실의 전계방출 실험 장면

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