KIST, 세계 최초로 그래핀 활용한 미세패턴 금속박막 제조공정 기술 개발

- 그래핀을 박리층으로 이용하여 손상 없는 미세 패턴 전주도금 박리 성공
- 친환경/저비용 금속박막 제조 및 차세대 유연회로기판 제조 공정기술로 활용 기대
 
최근 한국과학기술연구소(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 양자응용복합소재연구센터 이상현 박사팀(노호균, 박미나 연구원)이 그래핀과 전기화학적 도금방법(전주도금)을 사용하여 이동이 쉬운(프리스탠딩) 금속 박막 제조 공정기술을 개발하였다고 밝혔다. 최근 각광받고 있는 탄소기반 신소재인 그래핀은 원자 한 층 두께인 약 2.3 옴스트롱의 두께와 높은 전기 전도도를 가지고 있다. 또한 화학적으로 매우 안정하여 원자간 결합이 이루어지지 않아 접착력이 매우 낮으며, 인체와 환경에 무해하기 때문에 전주도금 박리제로써 최적의 조건을 만족하고 있다. 이러한 그래핀을 몰드의 표면에 코팅한 후 그 그래핀 상에 전주도금을 진행하고 박리함으로써 친환경적이고, 저비용으로 미세패턴 금속박막 제조에 성공하였다. 전주도금은 전기도금을 이용하여 원하는 형상의 소재를 정확하게 복제하는 기술로서 조형물을 원형으로부터 벗겨내기 위해서는 원형 표면에 낮은 접착력과 얇은 두께, 높은 전기전도도를 가진 박리제가 필수적으로 코팅되어야 한다. 하지만 기존의 박리제는 높은 접착력과 30마이크로미터 이상의 두께 때문에 미세 패턴의 제작이 어렵고, 1회 사용 시 다시 코팅하여야 하며, 매우 유독하여 작업자의 건강과 환경에 심각한 문제를 야기하는 등의 단점을 가지고 있었다.

 

새로운 공정기술로 만들어낸 그래핀이 코팅된 몰드는 박리 후에도 그래핀이 몰드에 완벽하게 남아있어 반 영구적인 사용이 가능하며, 수 마이크로 크기의 패턴도 완벽하게 구현해냈다. 또한 연구진은 본 기술을 활용하여 LED용 유연회로기판을 만들어 정상 작동하는 것을 확인하였고, 이를 통하여 유연한 특성을 가진 전자소자 부품으로 적용할 수 있는 가능성을 제시하였다. 본 연구결과는 나노분야 권위 있는 국제학술지인 “Nanoscale”(IF : 7.76)에 6월23일(목) 온라인 게재되었으며, 7월호(7월 7일자) 표지논문(Back Cover Article)으로 게재된다. KIST 양자응용복합소재센터의 이상현 박사는 “부가가치가 높은 매우 얇은 금속판 또는 미세한 패턴을 가진 금속을 만들기 위해서는 고비용이 소요되는데, 이번 성과를 활용하여 공정시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 것”이며 “전지용 전극소재 뿐만 아니라 미래의 전자소자용 부품 제조를 위한 원천기술로 다양한 분야에 접목이 가능할 것”이라고 말했다.

[그림1] KIST 이상현 박사팀은 기존의 전주도금 박리제로 사용되어진 이산화 셀레늄이나 중크롬산 계열 등의 매우 유독한 물질 대신 그래핀을 이용하여 전주도금 제품의 박리를 성공하였다. 그래핀은 화학적으로 매우 안정하여 도금제품과의 화학적 결합이 되지 않기 때문에 매우 낮은 접착력을 보여주고, 그로 인하여 약한 기계적 힘을  이용하여 박리가 가능한 것을 그림 1을 통해 알 수 있다.

 

[그림2] 박리 후 그래핀이 몰드에 남아있는지, 제품의 표면으로 이동했는지를 확인한 결과이다. 전주도금 제품을 박리한 후에도 그래핀은 몰드에 완벽하게 남아있는 것을 Raman mapping을 이용하여 확인하였고, 몰드와 그래핀 간의 접착력과 그래핀과 전주도금 제품과의 접착력 측정을 통해, 그래핀과 전주도금 막의 상대적으로 약한 접착력을 통해 원활한 금속박막 제조가 가능함을 보여주고 있다. 미세 패턴을 가진 금속박막의 경우, 견딜 수 있는 스트레스가 매우 작기 때문에 만약 접착력이 높다면 박리시 미세 패턴이 찢어지는 등의 손상이 발생하게 된다. 이처럼 매우 낮은 접착력은 미세패턴 박리시 매우 중요한 조건 중에 하나이고, 그래핀은 이러한 조건을 매우 완벽하게 충족한다.

 

[그림3] 해당 그림은 그래핀을 이용하여 박리한 금속회로를 함유한 유연기판에 LED를 마운팅하여 구동하였다. 평평한 경우에는 물론이거니와 곡률반경 0.45cm까지 밴딩을 진행하여도 아무 이상 없이 발광하는 것을 확인할 수 있다. 또한 신뢰도를 확인하기 위하여 밴딩테스트를 15,000회까지 진행하여도 저항의 변화가 거의 없는 것을 볼 수 있다.

 

 * (논문명) ‘A graphene superficial layer for the advanced electroforming process’
      - (제1저자) 노호균 박사과정
      - (교신저자) 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 이상현 박사