KIST, 단일층 맞춤형 그래핀으로 가스차단 기술 개발

  

- 단일층 그래핀으로 수분을 60% 이상 차단하는 기술개발

- 수분으로 인한 플랙서블 디스플레이의 수명 단축 문제해결

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 양자응용복합소재연구센터 김명종 박사팀은 전기화학 연마 공정을 거친 그래핀 필름의 합성단계를 2단계(*2단계 성장법)로 나눠 진행하여 그래핀 결점을 최소화 하여 화학기상증착법(*CVD(Chemical Vapor Deposition))을  이용한 가스차단 맞춤형 그래핀을 개발했다. 연구팀은 차단 특성을 확인하기 위하여 기존 방식과 다른 새로운 그래핀 가스차단 모델을 제시했다.

가스차단 필름은 작게는 식품포장재부터 크게는 디스플레이까지 다양한 범위의 제품에 활용되고 있다. 이러한 가스 차단 필름은 통상 산소나 수분을 차단하여 제품의 내구성을 높여준다. 특히 최근 폭발적인 성장을 보이고 있는 플렉시블 디스플레이 분야에서는 고분자 기반 소재가 기판으로 가장 많은 기대를 받고 있으나, 산소 및 수분 차단 특성이 부족하여 이에 대한 대안으로서 가스차단 필름에 대한 관심이 증가되고 있다. 하지만 기존의 가스차단 필름의 재료인 유리, 세라믹 및 금속 등은 비용 및 기술적인 문제로 인해 그 활용에 한계가 있었다. 

이러한 한계점을 극복하고자 다양한 금속박막, 고분자, 나노 입자를 복합화하는 등 다양하고 폭 넓은 시도가 이루어지고 있으며 그 중 신소재인 그래핀이 주목을 받고 있다. 그래핀은 육각형 구조를 가진 탄소의 단일 소재로 가스와 같은 작은 분자단위 투과를 차단하는 효과 뿐만 아니라 높은 비표면적 (2,600 m2/g)을 가지며, 전기적 (20,000 cm2/Vs), 기계적(>1000 GPa), 열적 (~3000 W/mK)물성 등이 우수한 소재로 알려져 있다. 다만 기존의 화학기상증착법 (CVD)방식으로는 그래핀 합성과정상 문제로 가스차단 필름 생성에 어려움이 있었다.

김명종 박사팀은 맞춤형 화학기상증착법 (CVD)을 이용하되 금속 층에 탄소 전구체를 포함하는 반응 가스 및 열을 제공하여 반응시킴으로써 금속 층에 하나의 가스차단 맞춤형 CVD 그래핀을 합성하였다. 기존의 1단계 성장법으로 합성된 그래핀에서 발생되는 결점들로 인한 한계를 극복하기 위하여 금속 촉매 기판을 전기화학 연마 (Electro-chemical Polishing) 처리하여 금속 촉매 기판 표면의 불순물을 제거하고 거칠기 (Roughness)를 조절하였다.

더 나아가, 그래핀 필름의 합성 단계를 2단계로 나눈 2단계 성장법을 통해 그래핀의 결점을 제어하고 가스차단 특성을 향상시켰다. 이러한 가스차단 맞춤형 CVD 그래핀을 PET 기판에 전사하여 수분투과도 (Water Vapor Transmission Rate)를 측정한 결과, 그래핀 1장으로도 수분투과도가 PET 기판 대비 60% 정도 감소하였다. 

김명종 박사팀은 이러한 결과를 토대로 수분투과도와 그래핀 결점 밀도 (Defect density)의 연관성을 확인하고 기존의 가스차단 특성 확인 방식과는 다른 해석방법으로 새로운 그래핀 가스차단 모델을 제시하였다.

 본 연구는 미래창조과학부(장관, 최양희) 지원으로 KIST 기관고유사업과 산업부 그래핀 소재/부품 기술개발사업 3세부 과제 (주관: 상보)로 수행되었으며, 네이쳐 그룹 (Nature group) 에서 발간하는 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports, Impact Factor: 5.578)의 2016년 4월호에 게재되었다. 논문의 제1저자는 박사후 연구원인 서태훈 박사, KIST 조선대 학연 석사과정생인 이슬아 연구원이며, 조선대(이재관 교수), 동아대(이헌상 교수)와의 공동연구 결과이다.