카이스트, 그래핀 결함기술 개발

전기적·기계적 특성 향상 원천기술 그래핀 기반 유연전자소자에도 적용 가능

▲김택수 교수

KAIST(총장 강성모) 기계공학과 김택수 교수 연구팀이 금속입자를 통해 그래핀의 결함을 없앨 수 있는 원천기술을 개발했다. 연구팀은 이 기술로 그래핀의 기계적·전기적 특성을 향상시킬 수 있다는 것도 증명했다.
　
이번 연구는 지난해 12월29일 국제학술지 ACS Nano 온라인 판에 게재됐다.(논문명: Healing Graphene Defects using Selective Electrochemical Deposition: Toward Flexible and Stretchable Devices)
　
그래핀은 탄소 원자로 이루어져 있으며 원자 1개의 두께로 이뤄진 얇은 막(0.34nm·100억분의 3.4m)으로 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다.

때문에 매우 유연하고 광학적으로 투명하다는 장점이 있어 투명전극, 기체투과방지막, 디스플레이 등 다양한 분야에 적용이 가능하다.
　

▲카이스트 김택수 교수 연구팀이 그래핀 결함을 해결하는 원천기술을 개발했다. (좌)그래핀 표면의 스크래치를 전기도금을 통해 치유하는 사진 (우) 결함 치유 후 HEALING 이라는 글자에 은이 선택적으로 증착됨으로써 가시화 된 모습.(제공= 카이스트)

하지만 그동안 이용해왔던 화학기상증착법(chemical vapor deposition)으로 합성된 그래핀은 결정립 경계(grain boundary: 용융 금속이 응고 시 성장하면서 서로 만나는 곳에서 생기는 경계면)와 핀홀(pinhole: 작은 부풀음, 구멍) 등 많은 결함이 있어 그래핀의 전기적·기계적 특성을 저하시킨다.
　
카이스트 연구팀은 이러한 문제를 해결하고자 전기도금 방식과 유사한 전기화학적 증착 방식을 이용, 기존의 결함을 없앨 수 있는 기술개발에 성공했다. 연구팀이 개발한 기술은 금속 이온의 전기화학적 환원 반응을 이용, 그래핀 결함을 보완했다.
　
즉, 그래핀을 음극(cathode)에 연결하고서 직류 전류를 가하면 용액 속의 금속 이온이 그래핀의 결함 부분에 선택적으로 환원되면서 증착하는 원리다.
　
연구팀은 이 기술을 이용한 실험을 통해 그래핀에 발생한 결함에 선택적으로 은을 증착시킬 수 있음을 확인했다. 전도성 기판 뿐 아니라 세라믹, 고분자 등의 절연 기판에서도 똑같이 금속이 그래핀의 결함에 선택적으로 증착됐다.
　

▲선택적 결함 치유를 통해 가시화된 그래핀 결함의 광학적 이미지와 금속 이온의 전기화학적 환원을 이용한 그래핀 결함 치유 모식도.(제공= 카이스트)

또한 증착된 은 입자는 그래핀 결함 사이를 전기적·기계적으로 연결해주는 역할을 해 그래핀의 전기전도도와 연신율이 향상되는 사실을 알아냈다.
　
실제 다층 그래핀의 경우 전기전도도가 약 11.54배, 연신율이 약 61% 가량 증가함을 확인했다.
　
연구팀은 투과도 감소, 전기 도금 공정 최적화 등이 해결된다면 고품질 대면적 그래핀의 품질 관리 기술과 그래핀 기반의 유연전자소자 등에 적용 가능할 것으로 내다봤다.
　
김 교수는 “이번 기술은 그래핀 결함을 손쉽게 치유해 전기적·기계적 특성을 향상시킬 수 있는 원천기술이다”며 “그래핀의 상용화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
　
KAIST 기계공학과 윤태식 박사과정 연구원이 1저자로 참여한 이번 연구는 산업통상자원부 그래핀 소재-부품 기술 개발사업과 한화테크원의 지원으로 수행됐다.

이승규 기자 esk@