서울대 장호원 교수팀, 유연 기판 위 그래핀 미세 패턴 구현

서울대 장호원 교수팀은 '고분자 직접 경화 전사 방법'을 이용해 마이크로미터 크기 그래핀 미세 패턴을 유연한 고분자 기판 위에 전사하는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

장 교수팀은 그래핀 미세 패턴 위에 최종 기판으로 사용될 고분자를 직접 경화하는 공정을 개발했다. 용액 상태 고분자를 그래핀 패턴 위에 코팅 후 경화하면 고분자는 그래핀 미세 패턴을 유지하는 동시에 유연한 기판 역할을 한다. 이 방법을 이용하면 4인치 웨이퍼 면적의 유연한 폴리이미드 기판 위에 최소 선폭 5마이크로미터까지 매우 신뢰성 높게 그래핀 미세 패터닝이 가능했다.

기존 방식은 공정 중 오염된 그래핀이 최종 단계 표면이 돼 잔류물이 그대로 남는다. 새로운 전사 방법은 공정 중 외부에 노출되지 않은 그래핀이 상하 반전돼 최종 단계에서 표면을 향하므로 잔여물 없이 깨끗하다는 이점이 있다.

고분자 기판 위에 마이크로미터 크기로 미세 패터닝 된 그래핀은 인가전압 하에서 줄열(Joule heat) 반응에 의한 자가 발열 현상을 보인다. 연구에 공동 참여한 서울대 공대 재료공학부 이명규 교수 연구팀은 유한 요소 시뮬레이션을 통해 기판 재료와 그래핀 패턴 조건에 따른 그래핀 자가 발열 현상을 분석했다. 시뮬레이션 결과 그래핀 패턴 형상이나 기판 재료에 따라 발열 현상을 효율적으로 제어할 수 있음을 나타냈다.

연구팀이 개발한 고분자 직접 경화 전사 방법을 이용하면 유연하고 투명한 그래핀 기반 가스 센서 어레이를 제작할 수 있다. 그래핀 미세 패턴 기반 가스 센서는 자가 발열 현상을 통해 추가적인 열에너지 없이 자체 활성화가 가능하다. 이를 이용한 실험에서 서로 다른 귀금속으로 표면 장식된 단일 센서가 4종류로 이뤄진 센서 어레이는 실온에서 여러 종류 가스를 성공적으로 분류했다.

장 교수는 “이 기술이 2차원 소재를 기반으로 한 몸에 착용하거나 접을 수 있는 차세대 기능성 전자 소자 개발에 큰 기여를 할 것”이라고 기대했다.

연구 결과는 재료 분야 세계적 학술지인 '어드밴스드 머티리얼스' 1월 14일 자 온라인에 게재됐다. 우수성을 인정받아 정식 게재 호의 표지 논문으로 출판될 예정이다.

해당 연구는 장호원 교수팀과 이명규 교수팀, 자연과학대학 화학부 홍병희 교수팀이 공동으로 수행했다. 한국연구재단 중견연구 사업과 나노·소재 기술개발사업의 지원을 받았다.

김명희기자 noprint@etnews.com