KIST, 단일층 그래핀으로 수분 60% 이상 가스차단 기술 개발

 

아주경제 신희강 기자 =한국과학기술연구원(KIST)은 전북분원 복합소재기술연구소 양자응용복합 소재연구센터 김명종 박사팀이 가스차단 맞춤형 그래핀을 개발했다고 19일 밝혔다.

연구팀은 전기화학 연마 공정을 거친 그래핀 필름의 합성단계를 2단계로 나눠 진행, 그래핀 결점을 최소화해 화학기상증착법(CVD)을 이용했다.

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 가스차단 필름에 대한 관심이 고조되고 있다. 하지만 기존의 가스차단 필름의 재료인 유리, 세라믹 및 금속 등은 비용 및 기술적인 문제로 그 활용에 한계가 있었다.

김명종 박사팀은 맞춤형 화학기상증착법 (CVD)을 이용하되 금속 층에 탄소 전구체를 포함하는 반응 가스 및 열을 제공해 반응시킴으로써 금속 층에 하나의 가스차단 맞춤형 CVD 그래핀을 합성했다.

기존의 1단계 성장법으로 합성된 그래핀에서 발생되는 결점들로 인한 한계를 극복하기 위해 금속 촉매 기판을 전기화학 연마(Electro-chemical Polishing) 처리했다. 이와 함께 금속 촉매 기판 표면의 불순물을 제거하고 거칠기(Roughness)를 조절했다.

또 그래핀 필름의 합성 단계를 2단계로 나눈 2단계 성장법을 통해 그래핀의 결점을 제어하고 가스차단 특성을 향상시켰다. 이러한 가스차단 맞춤형 CVD 그래핀을 PET 기판에 전사해 수분투과도를 측정한 결과, 그래핀 1장으로도 수분투과도가 PET 기판 대비 60% 정도 감소했다.

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

이번 연구는 미래창조과학부 지원으로 KIST 기관고유사업과 산업부 그래핀 소재·부품 기술개발사업 3세부 과제로 수행됐다. 네이쳐 그룹 (Nature group) 에서 발간하는 사이언티픽 리포트(Scientific Reports, Impact Factor: 5.578)의 2016년 4월호에 게재됐다.

논문의 제1저자는 박사후 연구원인 서태훈 박사, KIST 조선대 학연 석사과정생인 이슬아 연구원이며, 조선대(이재관 교수), 동아대(이헌상 교수)와의 공동연구 결과다.