KIST, 플라스틱으로 그래핀 구조 탄소나노시트 개발

조한익 박사팀, 나석인 전북대 교수, 화학연 김병각 박사팀과 공동연구

조한익 박사(왼쪽부터), 나석인 교수, 김병각 박사

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 그래핀을 만드는 과정에서 발생하는 인공적 결함은 개선하고 특성은 그대로인 탄소물질을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 전북분원(분원장 홍경태) 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 조한익 박사팀은 전북대 유연인쇄전자공학과 나석인 교수와 한국화학연구원 김병각 박사팀과 함께 면적이 큰 화학적기상증착법(CVD) 그래핀이 가진 문제를 해결하기 위해 플라스틱의 원료인 고분자를 이용해 그래핀과 유사한 구조와 특성을 가지면서 투명한 탄소나노시트를 개발했다고 20일 밝혔다.

개발된 물질은 태양전지, 반도체 칩 등 그래핀이 쓰이는 곳에 사용할 수 있고 이미 상용화된 공정으로 개발돼 상업화에 한층 가까워졌다.

관련 연구는 연구의 참신성을 인정받아 나노분야의 권위지인 나노스케일 21일자 표지 논문으로 실렸다.

품질이 좋고 면적이 수 십 인치에 달하는 대면적의 그래핀 제작에는 CVD가 많이 이용되지만 이 방법은 금속을 촉매로 사용해야 해 그래핀 제작 후에는 사용한 금속을 제거해야 하고 제작한 그래핀을 태양전지 등 다른 기판으로 옮기는 후공정이 필요하다.

이같은 후공정으로 주름 및 균열 등 결함이 생겨 품질이 저하된다는 단점이 있다.


연구팀은 기판 위에 고분자 용액을 코팅시켜 열처리를 가하는 2단계 공정으로 탄소나노시트를 개발했다.

기존 그래핀 제작 공정이 8단계였던것을 감안하면 단순해지고 별도의 후처리공정 없이 태양전지 등으로 바로 사용이 가능하다.

연구팀은 탄소 분자 내 사다리 구조의 고분자인 PIM-1을 합성해 고분자 용액을 만들고 엷은 초록색을 띈 이 고분자 용액을 기판인 석영 위에 회전시켜 골고루 뿌려 코팅한 후 섭씨 1200도로 열처리해 투명한 탄소나노시트를 만들었다.

이 탄소나노시트는 단순한 제작공정으로 대량 생산이 가능할 뿐 아니라 금속 기판을 제거하고 생성된 그래핀을 다시 이동하는 등 기존 그래핀에서 결함을 유발하는 작업이 없어져 품질 면에서도 우수한 것으로 나타났고 효율성 측면에도 그래핀에 뒤지지 않는 것으로 나타났다.

조한익 박사는 “개발된 공정은 이미 상용화된 탄소섬유의 제조공정을 이차원 탄소소재 합성에 응용한 것으로 이미 공정이 구축된 방법인 만큼 투명하고 전도성을 갖는 이차원 탄소소재의 상업화에 쉽게 이용될 수 있을 것으로 보인다”고 밝혔다.

이번 연구는 연구팀에 의해 최근에 게재된 폴리아크릴로니트릴을 이용한 탄소나노시트에 관한 후속 연구로 탄소나노시트의 성장 메커니즘을 이해하고 더 간단한 제조 공정을 제시했다는 데 의의가 있다.

이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 및 한국연구재단의 연구비 지원으로 수행됐다. 

나노스케일의 21일자 권두 표지논문이미지, 초록색의 고분자 용액이 회전하면서 코팅되는 모습으로 이러한 탄소나노시트는 검은 부분으로 표현된 그래핀의 결함은 최소화하고 유사한 특성을 가진 물질이다.