그래핀이 들어간 초고강도·고성능 케이블 개발

 

- 산·학·연 공동연구 통해 고성능·고효율·경량화, 새로운 개념의 케이블 개발
- 차세대 전기자동차 핵심부품 및 고용량 전력전송선 활용 기대

 

최근 자율주행 및 전기자동차 시장 확대와 함께 자동차용 하네스 케이블 사용이 증가함에 따라, 전선의 경량화와 자동차 연비향상의 필요성이 대두되고 있다. 뿐만 아니라 전력발전소로부터 일반 가정까지 연결되는 수많은 전력전송 케이블도 가볍고 기계적 강도가 큰 전선 소재의 사용이 필수적이다. 최근 국내 연구진이 탁월한 전기적 특성으로 ‘꿈의 소재’라고 불리는 2차원 나노소재인 그래핀*을 이용하여 고성능, 고효율, 경량화된 새로운 개념의 케이블을 개발하는데 성공했다고 밝혔다.
*그래핀(Graphene) : 강철보다 100배 강하면서 유연한 뛰어난 물리적 특성으로 차세대 소재로 주목받고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원 양자응용복합소재연구센터 배수강 박사팀은 서울대학교(총장 성낙인) 자연과학대학 화학부 및 차세대융합기술연구원 홍병희 교수팀, 서울대 창업 기업인 벤처기업 그래핀스퀘어(주)(대표 채윤)와 함께 공동연구를 통해 복합화하여 초고강도· 고성능 전선을 제조할 수 있는 원천기술을 개발했다고 밝혔다. KIST 양자응용복합소재연구센터는 작년 11월, 상기 두 기관과 그래핀 융합기술 개발을 위한 산·학·연 공동개발을 위해 삼자 간 업무협약을 체결한 바 있다.

<그림 1> 그래핀 섬유 및 그래핀-구리 복합구조체 전선 제조 모식도 (상단) 그래핀을 고온에서 합성하고 선 패턴화 통해 그래핀 섬유를 제조하는 공정. (하단) 전해도금을 통해 그래핀 섬유의 표면에 구리를 증착하는 공정

 

KIST-서울대 공동연구팀은 화학증기증착법(chemical vapor deposition, CVD)을 활용하여 그래핀 섬유를 먼저 합성한 후 이를 전기분해의 원리를 이용하여 그래핀 섬유의 표면에 얇은 구리 막을 입히는 간단한 방법을 통해 전선 형태의 그래핀-금속 복합구조체를 제조하였다. 이렇게 제조된 그래핀-금속 복합구조체 전선을 통해 기존 구리전선 대비 2배 이상의 기계적 강도와 10배 이상의 최대 허용 전류량을 확보했다. 개발된 전선은 고효율 전력전송선뿐 아니라 핵심 자동차부품인 하네스 케이블(차량용 배선)과 고성능전기모터의 고성능화‧경량화에도 활용이 가능하다.

이번 연구진이 개발한 그래핀-구리금속 복합전선 개발은 기계적인 특성과 전기적 특성을 모두 획기적으로 개선한 새로운 개념의 케이블 전선 기술을 제시하였다는 측면에서 큰 의의가 있으며, 향후 항공우주 및 웨어러블 분야에도 다양한 응용이 가능할 것으로 기대된다.

<그림 2> 그래핀-구리 복합구조체 전선의 기계적 특성 및 전자현미경 이미지 (좌상) 그래핀 섬유의 구부림 정도에 따른 전기적 특성이 크게 변하지 않음. (좌하) 복합체의 최대인장강도 측정 결과, 기존 섬유의 결과에 비해 우수함을 확인 가능. (우) 그래핀-구리 섬유의 절단면 관찰

 

KIST 배수강 박사는 “고성능의 그래핀-금속 복합구조체 전선을 위해서는 고품질의 다층 그래핀을 합성하는 기술이 매우 중요하다”며, “꿈의 신소재인 그래핀의 특성과 구리전선의 장점을 융합함으로써 고출력 전력전송과 경량화라는 두 마리 토끼를 잡은 것”이라고 밝혔다.

<그림3> 기존 구리전선과 그래핀-구리 복합구조체 전선의 전기적 특성 비교 (좌) 그래핀-구리 복합체의 구리 전해도금 정도에 따라 기존 구리전선과 유사한 전도도 값을 보임. (우) 기존 구리에 비해 그래핀-구리 복합체의 최대 전류밀도 값이 10배 정도 향상된 결과를 보임.

서울대 홍병희 교수는“최근 구글로부터 그래핀을 이용한 전력전송선 개발에 대해 문의 받은 경험이 있다.”라며, “향후, 그래핀-구리 복합전선을 상용화한다면 180조에 이르는 세계 케이블 전선시장에 지각변동을 불러올 것”이라고 전망하였다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 산업통상자원부 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 나노재료 분야의 권위지인 ACS Nano(IF: 13.942, JCR 상위 3.27%) 최신호에 게재되었다.

 

* (논문명) ‘Ultrastrong Grpahene-Copper Core-Shell Wires for High-Performance Electrical Cables’ ACS Nano, 12, 2803–2808 (2018).
  - (1저자) 김상진 박사, 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 Post-Doc.
  - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 배수강 박사(선임연구원)
                  서울대학교 자연과학대학 화학부 및 차세대융합기술연구원 홍병희 교수

 

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라만 스펙트럼의 특정 피크(Peak)로 단층의 순수 그래핀을 쉽게 판별
실체 있는 연구 유도로 그래핀의 실용화 앞당길 것으로 기대

 

‘꿈의 신소재’로 각광받고 있는 ‘그래핀(Graphene)’은 흑연*의 구성단위이며 탄소원자가 육각형 모양을 이루는 원자두께(0.4 nm(나노미터))를 지닌 2차원 물질이다. 2010년 노벨물리학상을 수상케 한 그래핀은, 강철보다 100배 강하지만 유연하고, 뛰어난 물리적 특성으로 차세대 소재로 주목받고 있다. *흑연 : 층상구조를 갖는 탄소재료로, 2층 이상의 그래핀이 평면적으로 적층된 상태를 말한다.

하지만 그래핀은 두께가 원자 단위로 얇아 분석이 어렵고, 소재의 순수성에 대한 검증을 보인 연구사례가 극소수이어서 순수한 그래핀의 사용여부에 대한 불분명함이 있었다. 이러한 점이 2004년 그래핀의 첫 등장 이후, 많은 연구가 이루어졌음에도 불구하고 아직 뚜렷한 실용화 사례가 없다는 것에 대한 원인 중 하나로 꼽힌다.  한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 차세대반도체연구소 광전소재연구단 이재갑 박사팀은 한국기초과학지원연구원(KBSI, 원장 이광식) 김진규 박사팀 및 연세대학교(총장 김용학) 신소재공학과 이우영 교수팀과의 공동연구를 통해 라만(Raman)분광분석**에서 낮은 에너지 영역에서 나오는 미세하지만 재현성이 있는 ‘특정 피크(peak)’로 단층의 순수한 그래핀을 확인할 수 있는 방법을 개발하였다. 이 분석법을 이용하면 그래핀 소재의 파괴없이 저비용으로 불과 수 분내의 빠른 시간에 분석할 수 있다.
**라만(Raman)분광분석: 광학을 이용한 재료의 비파괴적 분자구조 및 결정성 분석법으로 수 분 내에 분석이 가능하여 널리 사용되는 방법임.

<그림 1> 그래핀의 고해상도투과전자현미경사진(a-c) 및 라만 스펙트럼(d). 단층(1) 및 2층(2) 그래핀이 보이는데(b), 가장자리에 각각 단층 또는 2층의 단면 선이 보이는 것으로부터 소재의 끝이 휘어져 일어나 있음을 알 수 있음(a 모식도). 라만스펙트럼에서 118 cm-1에서 나타나는 픽은 나노곡률을 갖는 2층 그래핀에서 나타나는 것이고, 165~325 cm-1 및 325~500 cm-1는 각각 나노곡률을 갖는 단층/2층의 그래핀 및 단층 그래핀에서 나타나는 것임. e,f는 곡률 및 모양에 따른 그래핀의 라만 픽 위치를 나타낸 시뮬레이션 결과임.

공동연구팀은 단층의 순수 그래핀 또는 2층 그래핀을 수백 nm2 이상의 면적으로 성장시키고 이를 고해상도투과전자현미경(HRTEM)***으로 관찰했을 때 이들 소재의 끝이 구부러지는 현상을 확인하였다(그림 1a,b). 이 그래핀 끝 구부러짐이 만드는 곡면의 직경이 1~2 nm일 때 라만 스펙트럼의 낮은 에너지 영역에서 특유의 피크가 나타남을 실제 라만분석과 시뮬레이션을 통해 확인함으로써(그림 1d, 2d), 라만스펙트럼 분석만으로 단층 그래핀 검증이 가능함을 보였다.
***고해상도투과전자현미경(HRTEM: High Resolution Transmission Electron Microscopy) : 그래핀을 분석하는 확실한 방법으로 알려진 장치, 통상 나노두께 물체를 투과시키며 관찰하는   장치로 고비용, 장시간이 소요되고 시료를 회수할 수 없는 단점이 있다.

<그림 2> 그래핀의 고해상도투과전자현미경사진(a-c) 및 라만 스펙트럼(d). 그래핀은 직류전원플라즈마화학장치로 시드성장되었음. 단층(1) 및 2층(2) 그래핀이 보이고(b), 육각형 원자격자로부터 그래핀임을 확인할 수 있음(c). 라만스펙트럼에서 118 및 175 cm-1에서 나타나는 픽은 각각 나노곡률을 갖는 이층 및 단층 그래핀에서 나타나는 것이고, 165~325 cm-1 및 325~500 cm-1는 각각 나노곡률을 갖는 단층/2층의 그래핀 및 단층 그래핀에서 나타나는 것임.

<그림 3> 곡면 그래핀이 라만분석시 ‘원주방향 모드(radial mode: RM)’를 나타내는 원리를 설명한 모식도(a, b) 및 곡면 그래핀이 라만분석시 각각 191과 166 cm-1에서 픽을 나타냄을 보인 시뮬레이션 결과임(d, e). 본 연구에서 제안한 RM 이론은 단일벽탄소나노튜브의 것으로 잘 알려진 RBM 이론을 포함함(c).

이번 연구진이 개발한 분석법은 널리 사용되는 라만분석만으로 순수한 그래핀을 검증할 수 있어, 우수한 물성이 검증된 그래핀 소재의 대량 제조법 개발 및 실용화에 기여할 것으로 보인다.

KIST 이재갑 박사는 “2004년 그래핀의 첫 보고 이후 단층의 순수 그래핀을 보여준 경우는 손에 꼽을 수 있는 극소수이다. 분석의 어려움 때문에 그래핀 연구에 혼란이 있었는데, 이 그래핀 검증법의 개발로 그래핀 소재의 옥석이 가려져 그래핀 연구의 새장이 열릴 것이다”고 밝혔다. 

본 연구는 미래창조과학부의 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 물리화학분야 권위지인 ‘The Journal of Physical Chemistry Letters(IF : 8.539)’에 6월 5일자로 게재되었다. 본 연구의 핵심내용은 특허출원 중에 있다.


(*발명명: 그래핀포함 자유형 이차원 소재의 검증법, 2016-0105722).

* (논문명) Raman radial mode revealed from curved graphene.
   - Paper Acceptance: DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b01220
   - 제1저자 및 교신 저자 : 한국과학기술연구원 광전소재연구단 이재갑 박사

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열전 재료는 온도의 차이를 전류의 흐름으로 바꿀 수 있는 재료를 의미합니다. 이 열전 재료를 이용하여 제작한 열전발전기는 열에너지를 터빈과 같은 다른 기기를 통하지 않고 전기에너지로 변환하기 때문에 효율이 높고, 다양한 폐열(waste heat)을 이용하여 발전을 할 수 있다는 점 때문에 최근 각광받고 있는 분야입니다.

<그림 1> 열전 재료는 온도 차이에 의해 전압 차이를 가져오는 재료입니다. 즉, 전기를 만들 수 있는 재료입니다.<그림 1> 열전 재료는 온도 차이에 의해 전압 차이를 가져오는 재료입니다. 즉, 전기를 만들 수 있는 재료입니다.

 

일반적으로 열전재료로 사용되는 물질은 밴드갭을 가지고 있는 반도체재료입니다. 반도체 재료는 효율은 높지만 매우 딱딱하고 전기전도도가 낮으며 가격이 매우 비쌉니다. 따라서 반도체재료는 몸에 부착할 수 있는 웨어러블 열전발전기로 사용하기에 제약이 있습니다. 이에 많은 연구자들이 유연하고 늘어날 수 있는 열전소자에 대해 연구하고 있습니다. 최근에는 PEDOT:PSS 라는 전도성 고분자와 같은 물질이 좋은 열전 성능을 가진다고 보고가 되고 있습니다. 하지만 고분자 물질의 낮은 제벡계수 때문에 상용화 단계에는 이르지 못하고 있습니다. 또 다른 후보군으로는 탄소나노튜브나 그래핀과 같은 탄소나노재료가 있습니다. 탄소나노재료는 다른 유기재료에 비해 월등히 높은 기계적 물성, 유연성, 전기전도도 등으로 많은 관심을 받고 있습니다. 이러한 이유에서 그래핀이나 탄소나노튜브를 열전 소자로 사용할 수 있다면, 사람의 체온을 이용하여 발전할 수 있는 웨어러블 열전 발전기 등에 적용 할 수 있을 것입니다.

<그림 2> 열전재료로 사용되는 세라믹은 낮은 전기전도도와 딱딱한 성질을 가지고 있지만, 유기물질은 세라믹에 비해 높은 전기전도도를 가지고 유연한 성질을 가지고 있습니다. 특히 탄소나노재료의 경우 매우 우수한 기계적 물성과 전기적 특징을 가지고 있기 때문에 유기열전재료를 포함한 다양한 분야에서 응용이 많이 되고 있습니다.

한국과학기술연구원 광전하이브리드센터의 손정곤, 김희숙 박사님 팀은 반도체 물질이 아닌 그래핀을 열전 재료로 사용하는 연구를 진행하고 있습니다. 하지만 그래핀을 열전재료로 사용하는 것에는 큰 문제점이 있습니다. 바로 열전 성능인 제벡계수가 낮다는 점과 열전도도가 매우 높다는 점입니다. 그래핀의 제벡계수가 매우 낮은 이유는 그 안의 전자 밀도가 높기 때문이며 같은 이유로 열전도도 또한 높습니다, 손정곤 박사님 팀의 오진우 학생은 해당 문제를 해결하기 위해서 그래핀을 나노사이즈로 패턴하였습니다.

<그림 3> 열전재료로 사용하기 위해 그래핀은 높은 전기전도도를 유지한 채, 전자밀도와 열전도도를 낮추어야 합니다.
오진우 학생은 원자 1개 두께를 가지는 그래핀을 나노패턴하기 위해서 블록공중합체(block copolymer)를 이용하였습니다. 블록공중합체를 이용하면 10나노 이하의 복잡한 패턴을 매우 간단하고 빠른 공정으로 제작할 수 있습니다. 오진우 학생은 이것을 이용하여 그래핀으로 나노메쉬(나노 사이즈의 체 형태)를 제작하였습니다.

<그림 4> 블록공중합체를 이용한 패터닝은 블록공중합체가 친수성-소수성 물질로 이루어져 있기 때문에 나타나는 매우 특이한 현상입니다. 이 현상을 이용하면 복잡한 패턴까지 손쉽게 만들 수 있습니다.
그래핀이 나노메쉬가 된다면 열전도도가 급격히 감소하는데 열 전달 매개체인 포논(phonon)이 산란되기 때문입니다. 또한 그래핀 나노메쉬는 밴드차이가 커지며, 따라서 전자밀도가 감소할 수 있습니다. 즉 앞서 단점으로 지적되었던 낮은 제벡계수를 증가시키고 결과적으로 열전 성능을 높이는 것입니다.

<그림 5> 물질이 나노사이즈가 되었을 때 물질의 성질은 완전히 바뀌게 됩니다. 2 차원 물질인 그래핀이 메쉬가 되면 1차원 물질인 그래핀 나노리본과 비슷한 형태가 되며, 특징 또한 크게 바뀌게 됩니다.
해당 연구에서 오진우 연구원은 기존의 그래핀에 비해 최대 40배 좋은 제벡계수를 가지고, 열전도도 역시 기존 대비 30배 이상 낮은 그래핀 나노메쉬를 제작하여 열전소자로서의 한계점을 극복하였습니다.

<그림 6> 40배 이상 좋은 제벡계수를 가지며 30배 이상 낮은 열전도도를 가지는 그래핀 나노메쉬의 모습입니다. 사이즈 조절 등을 통해 높은 성능을 가지는 그래핀 나노메쉬를 제작할 수 있습니다.
물론 그래핀과 탄소나노튜브의 단일 재료로는 열전발전기를 제작할 수 없을 것입니다. 하지만 다른 유기재료 혹은 무기재료와의 복합체를 제작한다면 유연한 웨어러블 열전발전의 가능성을 열었습니다.

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규칙적인 구멍을 형성한 그래핀 메쉬(mesh) 소재, 뛰어난 열전 성능 보여
향후 열에너지를 변환하는 웨어러블, 플렉시블 열전소자에 적용 기대 

 

전자 산업의 급속한 발전으로 웨어러블 및 스마트 밴드와 같은 고성능 모바일 전자기기의 사용이 급증하면서 신(新)개념의 자가발전 에너지 변환재료의 개발 필요성이 증대되고 있다. 그 중 열에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 열전 기술은 향후 원격 의료기기 및 IoT 모바일 기기 등의 자가 전원으로 널리 활용 가능한 기술이다. 최근 국내 연구진이 꿈의 나노 물질인 그래핀에 규칙적으로 구멍을 뚫어 그래핀 나노메쉬(graphene nanomeshes)* 구조를 제작하고 그 특성을 제어하여, 높은 열전성능을 보일 수 있는 열전소자 개발에 성공했다.
*그래핀 나노메쉬 : 그래핀에 미세패터닝을 통한 나노 크기의 규칙적인 구멍을 뚫은 구조

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 손정곤 박사팀은 단일층 혹은 이중층의 그래핀에 마치 연탄처럼 10 나노(nm) 수준의 규칙적인 구멍을 형성하여 그래핀 나노메쉬 구조를 제작했다. 이 구조는 그래핀의 높은 열전도도를 획기적으로 낮추고, 높은 열전계수를 확보할 수 있게 된다. 연구진은 매우 미세한 패턴을 넓은 면적에 균일하게 구현하여 이 구조의 열전도도와 열전 특성을 세계 최초로 측정, 그 특성 변화를 제어하는 기술을 확보했다고 밝혔다.

열전재료의 성능은 온도변화에 따른 기전력 변화인 열전계수와 전기전도도에 비례하며, 열전도도에 반비례한다고 알려져 있다. 그래핀은 기존 소재들과 다른 특이성을 지니고 있는데, 전기전도도와 열전도도가 높고, 열전계수가 비교적 낮아 열전 특성의 극대화에 걸림돌이 되고 있었다.

본 연구진이 개발한 10 나노 수준의 그래핀 나노메쉬 구조는 열을 전달하는 전자는 손실 없이 흐르게 하고, 포논의 움직임이 제어되어 포논 산란(phonon scattering)**만을 선택적으로 유발하여 전기전도도는 유지하면서 열전도도를 획기적으로 낮췄다. 동시에 패턴으로 인해 양자화되면서 밴드갭(band gap)***을 생성하여 열전계수를 증가시켜 열전 성능을 비약적으로 상승시킬 수 있음을 실험적으로 입증하였다.
** 포논 산란 : 결정 내의 주기적인 격자의 진동을 입자로 표현한 포논의 전달 현상이 결정이 왜곡된 부분에서 이동 경로가

                  변경되는 현상
*** 밴드갭 : 반도체, 절연체의 구조에서 전자에 점유된 가장 높은 에너지와 낮은 에너지의 차이

연구진은 주로 이론적인 시뮬레이션을 통해서 여러 구조의 나노패턴이 제안되었던 수준에 그치고 있었던 것을 블록공중합체(block copolymer)****를 기반으로 하는 나노크기의 패턴을 만드는 나노리소그래피(nano-lithography)기술을 통해 10 나노 이하의 대면적 나노 패턴을 그래핀 위에 형성할 수 있었고, 이를 통해 초미세 패턴된 그래핀 소재의 열전달 현상 및 열전 특성의 분석이 가능할 수 있었다.
**** 블록공중합체 : 2종류 이상의 단량체가 AAAA-BBBB의 블록 형태로 연결된 고분자로, 나노구조를 자연스럽게

                         형성할 수 있는 소재

KIST 손정곤 박사는 “본 연구의 그래핀 나노패턴을 통한 열전특성 제어 기술은 최근 대안 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 방법으로 떠오른 플렉시블 저온 열전소자의 적용에 새로운 패러다임을 제시할 것이며, 나노 구조화된 저차원 소재, 유연 열전소재의 원천 연구 및 웨어러블 자가 구동기기의 실현화에 획기적인 해결책이 될 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.

본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 글로벌프론티어연구개발사업, KIST  기관고유연구사업, 국가과학기술연구회(이사장 이상천) R&D 컨버전스 프로그램의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 에너지 분야의 세계적 권위지인 ‘Nano Energy’에 3월 17일(금)자 온라인 판에 게재되었다.

 

   * (논문명) Significantly reduced thermal conductivity and enhanced thermoelectric properties of single- and

                bi-layer graphene nanomeshes with sub-10 nm neck-width
      - (제1저자)  한국과학기술연구원 오진우 박사과정
      - (교신저자) 한국과학기술연구원 손정곤 선임연구원

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[Arirang TV] Local research team develop

new ways to produce white graphene material

 

A research team has come up with a technology for the development of white graphene that could withstand high temperatures of 900 degrees Celsius and at the same time block radiation.
 It's made of boron and nitrogen and is refered to as white graphene because of its color and its hexagonal form.[...]

[Arirang TV 방송보기]

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저비용, 쉬운 공정으로 대면적의 화이트 그래핀(h-BN) 합성법 개발
다기능 화이트 그래핀 코팅기술로 전자, 우주항공 등 대형시장에 응용 전망

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원 복합소재기술연구소(분원장 김준경) 양자응용복합소재연구센터 김명종 박사팀은 고분자 원료인 보라진 중합체*(borazine oligomer)를 촉매 금속에 코팅하고 열처리하는 방법으로 손쉽게 대면적의 화이트 그래핀을 합성하는 기술을 개발했다.
*보라진 중합체(borazine oligomer) : 벤젠의 탄소가 붕소와 질소로 치환된 형태의 분자가 중합한 형태

 

[그림1] 촉매 위에 보라진 올리고머를 코팅하거나, 촉매층을 보라진 올리고머 층에 올려서 열처리를 하면 쉽게 화이트 그래핀을 얻을 수 있다.

 

보론 나이트라이트(질화 붕소(hexagonal boron nitride), h-BN), 일명 ‘화이트 그래핀(white graphene)’은 탄소원자들이 벌집 모양으로 연결된 그래핀에서 탄소 대신 붕소와 질소를 채워 넣은 것으로 육안으로 하얗게 보인다. 화이트 그래핀은 절연성을 가지며, 높은 열전도도, 900'C 까지 산화되지 않고 열을 견디는 내산화성, 중성자를 흡수하여 차단해 주는 중성자 차폐성, 보론과 나이트로젠 사이의 이중극자로 인하여 구조가 변형될 때 전기를 발생하는 압전 특성, 원자외선 발광특성, 복합소재의 필러로 사용 되었을 때의 계면 안정성 등 탄소소재에서는 보이지 않는 혁신적인 특성을 가진다. 이러한 특성은 절연방열, 열 차폐, 중성자 차폐, 압전소자 등의 응용기술로 연계되어 전자, 자동차, 우주항공, 원자력 등 대형시장에 영향력을 끼칠 것으로 기대되는 소재이다.

              [그림 2] 본 분석결과를 고려할 때 화이트 그래핀(h-BN)이 이름대로 하얀색을 띠고,  수층 정도의 층수를 가지며,

                         원자들이 육각형의 고결정성을 가지는 것으로 보여 진다.

이러한 우수한 특성에도 불구하고 화이트 그래핀의 원료 물질이 비교적 제한되어 있고, 합성(성장)공정이 그래핀 보다 어려워 많은 연구가 이뤄지지는 못했다. KIST 김명종 박사팀은 원료물질인 고분자(보라진 올리고머)를 니켈 촉매 기판에 떨어뜨려 고속으로 회전시켜 얇게 퍼지게 하는 스핀 코팅(spin coating)방법으로 진행하였으며, 이를 1000'C 정도에서 열처리를 하여 고결정성의 화이트 그래핀(h-BN)을 얻었다. KIST 김명종 박사는 “이번 연구의 핵심은 촉매의 효과에 의해서 상대적으로 낮은 온도에서 고결성의 화이트 그래핀을 확보할 수 있는 것과 관련 메커니즘도 규명한 것”이라고 밝혔다. 또한, 이를 “그래핀 트랜지스터**의 절연층 위에 보조층으로 적용한 결과 그래핀 소재의 도핑 효과를 감소시키며, 트랜지스터의 동작속도와 관계되는 전하 이동도를 2배 정도 증가시키는 효과를 이번 연구를 통해 밝혀냈다.”고 말했다.
** 그래핀 트랜지스터 : 트랜지스터에 실리콘이 아닌 그래핀을 활용한 반도체 소자

연구진은 촉매 층을 고분자(보라진 올리고머)위에 코팅하고 열처리 후 제거가 가능하므로 다양한 표면에 화이트 그래핀의 기능성 코팅이 가능하다고 밝혔다. 이 방법의 특징은 기존의 보라진을 원료로 하는 화학기상증착법(CVD) 방법에 비하여 매우 간단한 저가의 장치만으로 가능하기 때문에, 향후 손쉬운 공정으로 대면적, 다양한 표면에 적용 가능성 등이 있다고 전망했다.

[그림 3] 그래핀 트랜지스터의 스위칭 커브와 전하 이동도를 보여주는 데이터이다. 손쉽게 합성된 화이트 그래핀 (h-BN)을 적용한 그래핀 트랜지스터에서 도핑효과의 감소와 전하이동도의 2배 정도 증가가 관찰되는데, 이는 합성된 화이트 그래핀이 아주 평평하고 전기적으로 중성을 유지하는 고품질 소재이기 때문이다.

 

 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유사업과 4U 복합소재 프로젝트(개방형 연구과제)의 지원으로 수행되었으며, 네이처 그룹(Nature group)에서 발간하는 Scientific Reports의 2017년 1월 온라인에 게재되었다. 본 논문은 KIST 전북분원 복합소재기술연구소와 고려대학교 강상욱 교수 공동연구의 결과이며, 본 기술은 원천성을 인정받아 국내와 미국에 특허로 등록되었다.

 

*특허번호 & 특허명

  - 보라진 다량체를 전구체로 활용하여 금속촉매 효과로 성장된 고품질의 질화 붕소막 및 그 제조방법 (KR1480817) Method for producing   

  - hexagonal boron nitride film using borazine oligomer as a precursor (US9562287)

* (논문명) ‘Facile Synthesis of Highly Crystalline and Large Areal Hexagonal Boron Nitride from Borazine Oligomers’ 
  - (제1저자) 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 서태훈 박사후 연구원
  - (교신저자) 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 김명종 박사

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[디지털타임스] 900℃ 고온 견디고 방사선도 막는

`화이트 그래핀` 합성 기술 개발

 

국내 연구진이 900℃의 고온을 견디며 방사선도 막는 신소재 '화이트 그래핀'을 대면적으로 손쉽게 합성하는 기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST)은 전북분원 복합소재기술연구소 김명종 박사(사진)팀이 고분자 원료인 '보라진 중합체'를 촉매 금속에 코팅하고 열처리하는 방법으로 대면적의 화이트 그래핀을 합성하는 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.[...]

 

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전자파 STOP!! 전자파 차단 신소재 개발!

 

‘전자파’의 원래 이름은 전자기파(Electromagnetic waves)로 전기 및 자기의 흐름에서 발생하는 전자기 에너지입니다. 즉 전기가 흐를 때 그 주위에 전기장과 자기장이 동시에 발생하는데 이들이 주기적으로 바뀌면서 생기는 파동을 전자파라고 하는 것입니다. 전기장과 자기장은 서로 성질은 다르지만, 전기가 흐르는 곳 어디에서나 발생하기 때문에 전기를 사용하는 모든 기기에는 필연적으로 전자파가 발생하게 됩니다.

 

최근 애플에서 i-phone 7 핵심 칩에 전자파 차폐 기술을 적용하겠다고 발표한 기사를 접해보신 적 있으신가요? 그만큼 전자기기 소비자들은 전자파에 대한 우려가 높습니다. 이러한 소비자들의 우려 뿐만 아니라 전자파를 차폐하는 것은 전자제품 생산자에게도 장점이 있습니다. 전자파 차폐 기술을 적용하면 칩 간 전자파 간섭(EMI, Electromagnetic Interference)으로 인한 예상치 않은 이상 동작을 방지할 수 있습니다. 전자파 간섭이 줄어들면 회로 기판도 더욱 오밀조밀하게 구성할 수 있고 칩 사이의 거리를 좁히면 남는 면적을 배터리에 할애해서 사용시간을 더 늘릴 수도 있습니다. 결과적으론 EMI 차폐 작업을 위한 추가 비용이 들어가지만 완성품 관점에선 여러 가지 이득이 많은 셈입니다.

 

전자파 간섭을 막는 것은 그릇에 물을 넣은 뒤 마구 흔들었을 때 물이 전혀 새지 않도록 하는 것과 비슷합니다. 우선 전자파를 차폐하고자 하는 물체의 바깥쪽을 모두 전도성 소재 (알루미늄박, 철판 등)로 감쌉니다. 그 결과 물체 내에서 발생하거나 외부의 다른 기기에서 전달되는 전자파는 물체 표면의 전도성 소재와 부딪치며 반사되게 됩니다. 이때 전자파의 차폐율은 차폐하고자 하는 물체의 재질 및 두께, 전자파 에너지의 강도에 따라 변하게 됩니다. 보통 전기전도도가 높은 소재일수록 높은 전자파 차폐 성능을 보입니다.

[그림1] 출처: http://eoasis.tistory.com/46

앞서 언급했듯이 기존의 전자파차폐 방식은 금속성 재료들을 사용해서 진행되었지만, 최근에는 금속성 재료의 사용에 문제점을 제기하기도 합니다. 이를테면 핸드폰 등의 전자기기를 살펴보면 수많은 소자로 구성되어 있는데 각각의 소자에 전류가 흐르게 되면 자기 성분 또는 전자파 성분들이 발생하고 이러한 소자들이 서로 영향을 미치게 되는 식입니다. 이러한 간섭을 막기 위해서 사용하는 일반적인 방식은 전자기기를 촘촘하게 만들어두고 문제가 되는 부분을 테이프 붙이듯이 둘러싸는 방식입니다. 하지만 전자제품들의 소형화 경량화가 지속되면서 전체를 조립해놓고 전자파를 차단하는 것이 아니라 소자 단위에서 이를 처리할 필요성이 대두되고 있습니다. 또한, 전기자동차의 경우는 고전압, 고전류가 흐르기 때문에 전자파 발생 양 또한 많은데 이를 원하는 형태 안에서 전자파차폐를 해야하는 경우가 필요하기도 합니다.

 

이러한 선제적인 전자파 차폐나 크기가 매우 작아 기존의 방식으로 처리하기 힘든 소자의 경우, 쉽게 작은 단위에서도 코팅할 수 있는 소재가 필요하게 되는 것이지요. 이러한 문제의식에서 출발한 것이 바로 MXene연구입니다.

 

MXene은 MAX라고 불리는 층상구조로부터 출발합니다. MAX는 M층, A층, X층으로 이루어진 구조를 갖는데 M은 앞전이금속(early transition metal,  [그림2]의 빨간색으로 표시된 원소), A는 A족 원소 ([그림2]의 파란색으로 표시된 원소), X는 탄소 혹은 질소로 이루어진 물질로서 Mn+1AXn(n=1,2, or 3)의 구성을 갖습니다. MAX구조는 세라믹 연구 분야에서 약 10~15년 전부터 많은 연구가 진행되고 있습니다. 일반적으로 대부분의 세라믹 물질은 깨지기 쉽습니다. 반면 MAX는 연성성질을 가지므로 이러한 측면에서 많은 연구가 진행되었습니다. MAX는 원소의 수에 따라 가능한 조합이 매우 많으며 요즘에는 transition metal을 한 종류가 아닌 두 종류를 사용하는 bi-transition metal 구조에 대한 연구도 진행되고 있어서, 이론적으로 가능한 조합이 수천, 수백 개가 존재합니다. 현재까지 연구된 것은 약 10종류에 불과하므로 발전 가능성이 무궁무진한 연구 분야라고 할 수 있습니다.

[그림2]Barsoum, M.W. Progress in Solid State Chemistry 28 (2000) 201 – 281

여기서 A 층을 etching 시키게 되면 간단하게 MAX에서 A 층이 제거된 MXene이라는 구조를 얻을 수 있게 됩니다.


[그림3]출처 : ACS Nano, 2012, 6 (2), pp 1322–1331

[그림4]출처: Michael Naguib, et al. Advanced Materials 23 (2011) 4248-4253

 

접미어 ‘ene’이 붙은 이유는 그래핀(graphene)이라는 물질과의 구조적 유사성 때문입니다. 그래핀은 탄소로 이루어져 있는 단층 형태의 물질로서 연필심의 구성물질인 흑연(graphite)에서 한 층만 떼어내면 그래핀이 되는 것입니다. 형상을 두고 보더라도 그래핀과 가깝고 성질 역시 이와 비슷합니다.

[그림5]출처 : http://phelafel.technion.ac.il/~tzipora/graphene.html

앞서 언급했듯이 전자파 차폐 효율은 전기전도도가 높을수록 높은 값을 갖게 되는데요, MXene의 일종인 Ti3C2Tx의 전기전도도는 약 5000 S/cm입니다. 사이즈 조절을 하게되면 약 6000-7000 S/cm까지도 향상됩니다. 수치는, 결함(defect) 없는 그래핀의 단위 시트당 전기전도도가 4000-5000 S/cm이므로 상당히 높은 수치입니다. 그래핀 시트가 적층되어 있는 구조인 흑연은 일반적으로 전기전도도가 약 1000 S/cm 정도인데 이러한 차이는 전자가 단위 sheet 안에서 움직이는 것보다 층간의 계면을 뛰어넘을 때 더 많은 저항이 발생하기 때문입니다. 또한 그래핀은 결함이 없을 때에만 위와 같은 수치를 가지는데 MAX는 층간의 계면을 다 포함한 상태에서도 6000-7000 S/cm 정도의 전도도를 보이므로 차폐 기능이 아주 우수한 소재임을 알 수 있으며 [그림6]에서 보이듯이 그 특성이 금속(metal)에 가깝게 나타납니다. 또한, 차폐특성은 소재의 두께와 비례하는데 MXene은 10μm의 두께에서 70dB 정도 특성을 보입니다. 이러한 특성은 [그림6]에서 확인할 수 있듯이 거의 순수 금속필름에 가깝습니다.

[그림6]출처 : Faisal Shahzad, et al. Science, 2016, 353, 1137-1140.

유연하고 공정도 편리하며 소자에 적용하기에도 적합한 전자파차폐소재라고 볼 수 있겠죠? 어떠신가요. 앞으로도 이 MXene이라는 재료의 활약이 기대되지 않나요?


※ 본 기사는 물질구조제어센터 구종민 박사님 팀의 최신 논문 (Science, 2016, 353, 1137-1140.)과 박사님의 인터뷰를 토대로 작성되었습니다. 바쁘신 일정 속에서도 흔쾌히 인터뷰에 응해주신 구종민 박사님께 감사의 말씀을 전해드립니다.

 

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[전주KBS] 보도특집 "탄소의 진화, 세계 전초기지를 꿈꾸다"

 

탄소소재는 과거 철강이 이루어낸 산업화의 역사를 새로 쓰기 위한 꿈의 소재라고 불리워지고 있습니다. 이러한 탄소소재 시장과 기술을 선점하기 위해 각국에서는 많은 노력을 기울이고 있는데요. KIST 전북분원에서도 소재 연구개발에 총력을 기울이고 있습니다. 이러한 내용이 KBS 보도특집으로 방영되어 공유드립니다. 아래 링크에서 그 내용 확인해보세요 ^^

 

[KBS 방송보기]

 

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III-V족 화합물 반도체를 실리콘(Si) 기판위에 적층하는 저비용 공정으로

소자 발열 해결 및 최고 수준의 전하이동도 특성 확인

초저전력 고성능 III-V족 화합물 반도체* 소자 상용화 기대

*III-V족 화합물 반도체 : 주기율표 III족 원소와 V족 원소가 화합물을 이루고 있는 반도체 물질.


  가전제품이나 휴대폰 등 기기의 소형화가 진행됨에 따라, 반도체의 크기도 지속적으로 감소해 왔다. 현재 주로 사용되고 있는 실리콘 반도체의 경우, 작은 면적에 더 많은 소자를 넣기 위해 물리적 한계로 여겨지는 10nm 크기 수준으로 작아졌고, 구조도 2차원 평면형에서 3차원 입체형으로 전환되고 있다. 하지만 소자 집적도가 높아짐에 따라 소자간 간섭현상과 발열 문제가 해결해야 할 과제로 남아있다.  

  한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 차세대반도체연구소 김상현, 김형준 박사팀은 국민대학교 김동명 교수연구팀과의 공동연구로 기존의 실리콘 위에 III-V족 화합물 반도체를 3차원으로 적층하는 기술을 개발하여 기존 반도체보다 훨씬 빠르고, 전력 소비가 현저히 적어 발열문제를 해결한 고성능 반도체 소자를 개발했다. KIST 김상현 박사팀은 기존 소자의 발열문제를 해결하기 위해서 전력소비를 낮추는 것에 집중했다. 전자의 이동속도가 빠를수록 전력소비가 낮아지고 전력소비가 낮아질수록 발열량이 낮아지는데, 차세대 반도체로 각광받고 있는 III-V족 화합물 반도체는 기존의 실리콘 반도체보다 높은 전자 이동도를 보이며, 소비전력도 적어 고성능 핵심소재로 인식되고 있다. 하지만 제조공정이 비싼 단점이 있어 군사, 통신 등 특수분야에 한정적으로 이용되고 있는 실정이었다. 미국, 일본 등 선진연구수준과는 달리 우리나라의 경우 실리콘 반도체에 집중하여 상대적으로 III-V족 화합물 반도체에 대한 연구가 취약한 실정이었다.
연구진이 개발한 기술은 실리콘 기판 위 전자가 이동하는 반도체 채널 부분에 III-V족 화합물 반도체인 인듐갈륨비소(InGaAs)를 얇고 균일하게 형성하여 효과적이고 저비용의 III-V족 화합물 반도체 소자를 제작할 수 있는 공정으로, 산업계에서 응용가능성이 매우 높을 것으로 기대되고 있다.

[그림1] 실리콘 상 III-V족 화합물 반도체 층 제조 공정 모식도


우선 비용적인 측면에서는 웨이퍼 본딩(Wafer Bonding)*이라는 공정을 통해서 필요한 부분에만 인듐갈륨비소(InGaAs)를 실리콘 위에 접착하여 사용하고 비교적 간단한 공정인 ELO(Epitaxial Lift Off)*공정을 통해 떼어낸 III-V족 화합물 모재 기판(InP)을 재사용함으로서 획기적으로 원가를 절감할 수 있게 되었다. 시간적 측면에서도 기존의 ELO(Epitaxial Lift Off)공정 시 발생하는 수소 거품과 소수성 표면 문제를 웨이퍼 접착(Bonding)시 소자의 패터닝과 모재 기판(InP)의 친수성 표면을 이용하여 해결함으로써 공정시간을 기존대비 수십 배 이상 단축시키는데 성공하였다.
*웨이퍼 본딩(Wafer Bonding) : 접착제등을 사용하지 않고 서로 다른 기판을 접합하는 기술
*ELO(Epitaxial Lift Off) : 가운데 희생층을 두고, 목적하는 재료를 성장 후에 재료를 박리하는 방법

[그림2] 실리콘 상 III-V족 화합물 반도체 (InGaAs)의 단면 전자현미경사진 및 이로 제작된 소자의 이동도 결과

 

이 기술은 재료 및 공정 원가가 상용화의 걸림돌이었던 III-V족 화합물 반도체의 제조 공정을 쉬운 공정방법으로 변경함으로써 원가 절감 및 공정 고속화를 가능하게 하였을 뿐만 아니라 세계 최고 수준의 전자 이동도 특성까지 보여주어 초저전력으로 발열문제를 해결한 고성능 화합물 반도체 소자 상용화를 앞당겼다고 볼 수 있다. 김상현 박사는 “본 연구를 통하여 단순히 실리콘상에서 III-V족 화합물 반도체를 형성하는 데에 그치는 것이 아니라 3차원으로 여러 층을 적층하여 집적도가 향상된 다기능 소자를 실현하는 것이 기대된다.”고 밝혔다.


본 연구는 한국과학기술연구원 플래그쉽 연구사업, 산업통상자원부 미래반도체소자 원천기술개발사업, 미래창조과학부 중견연구자 지원사업으로 수행되었으며, 연구결과는 국제학회인 ‘IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)*’에서 12월 7일에 발표되었다.
* IEDM 학회는 세계 3대 반도체 학회로 전자소자 분야 최고 권위 학회로 인정받고 있다. 특히 반도체 분야의 올림픽이라는 별칭을 가지고 있으며 각국의 산업계, 연구소, 대학 등에서 관련된 최신 기술을 발표하고 있다.

 

 * (논문명) Cost-effective Fabrication of In0.53Ga0.47As-on-Insulator on Si for Monolithic 3D via Novel Epitaxial Lift-Off (ELO) and Donor Wafer Re-use (IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), (Paper Acceptance 118-2742 (2016. 12. 7 10:45 (샌프란시스코 시간) 발표)
          - (제1저자) 한국과학기술연구원 김성광 학생연구원       
          - (교신저자) 한국과학기술연구원 김상현 박사, 국민대학교 김동명 교수

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