세종대 물리천문학과 김근수 교수 연구팀, 국제 저명 학술지에 논문 게재

국립공주대학교와 공동 연구
자체 개발한 Conveyor CVD를 활용하여 고품질 대면적 그래핀을 고속합성
핸드폰 크기의 순수 및 질소 도핑된 CVD 그래핀을 준양산하고 가스센서 응용 시연

[서울=뉴시스] (왼쪽부터)세종대 물리천문학과 이동윤 박사과정생, 김근수 교수, 국립공주대학교 장아랑 교수 (사진=세종대 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]박지은 인턴 기자 = 세종대 물리천문학과 이동윤 박사과정생(제1저자), 김근수 교수(교신저자)와 국립공주대학교 장아랑 교수(교신저자)의 공동 연구결과가 국제 저명 학술지에 게재됐다.

이번 연구결과는 "대면적 그래핀의 고품질 및 생산성에 대한 컨베이어 CVD 및 이의 가능성(Conveyor CVD to high-quality and productivity of large-area graphene and its potentiality)"이라는 제목으로 지난 14일자 국제 저명 학술지인 나노컨버전스(Nano Convergence) (IF=13.4) 지의 우수논문으로 선정돼 게재됐다.

공동연구팀은 자체 개발한 컨베이어(Conveyor) 타입의 '화학 기상 증착(CVD, Chemical Vapor Deposition) 시스템'을 사용해 그래핀의 고속합성 조건을 최적화해 순수 및 질소 도핑된 그래핀을 준양산하고, 이에 대한 활용 사례로서 이산화질소(NO2) 및 암모니아(NH3) 가스 센서 응용을 시현했다.

그래핀은 2010년 노벨-물리학상을 받은 꿈의 신소재로 잘 알려진 소재로써, 이론상으로는 1940년도부터 우수한 물성이 예측된 물질였지만, 흑연에서 원자 한층 두께의 그래핀을 분리하는 기술은 2004년 러시아 출신 영국의 물리학자인 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프에 의해 스카치 테잎 방법으로 발견됐다.

2004년 당시 그래핀의 크기는 수십 마이크로미터에 불과하고 그 모양과 위치도 제각각 이어서, 현미경이 없으면 육안으로 볼 수 없고, 맨손으로 다루기도 어려웠다.

4-5년 후, CVD법을 이용한 그래핀을 인공적으로 생산하는 기술이 개발돼, 사람의 눈으로 보고, 손으로 직접 다룰 수 있는 크기의 대면적 그래핀을 제조가 할 수 있게 됐으며, 이후 지속적인 연구 개발로 근래에는 수십 cm 폭으로 백여 m 길이까지 연속 생산할 수 있다는 연구결과가 보고됐다.

한편, 초기의 CVD법으로 생산한 그래핀 품질은 좋으나, 생산 속도가 매우 느렸고, 근래의 연속 roll-to-roll CVD법에 의해 합성된 그래핀 샘플은 생산속도가 향상됐으나 품질이 좋지 않았다.

이에 세종대 물리천문학과 및 그래핀연구소의 김근수 교수 연구팀은 앞서 소개한 CVD 기술들로부터 장점은 취하고 단점은 보완할 수 있는 컨베이어(Conveyor) 타입의 CVD 장비와 고속 생산 레시피를 개발해 CVD 그래핀의 생산성과 품질을 모두 갖춘 기술을 확보해 국내 특허는 물론 해외 PCT까지 출원등록을 완료했다.

이 기술을 이용하면 스마트폰 크기의 고품질 그래핀을 대량 생산할 수 있다.

연구팀은 장비의 크기를 키우고 자동화해 더 큰 그래핀을 원하는 품질로 양산 가능할 것이며, 이러한 시료는 그래핀을 활용한 다양한 응용개발 제품들의 연구개발을 위한 원소재 시장에 공급이 가능할 것으로 기대한다.

그래핀의 우수한 전기전도도, 광학적 투과도 뛰어난 역학적 강도 및 경량성 등을 활용한 다양한 응용연구가 전 세계 각국에서 경쟁적으로 연구개발되고 있다.

연구팀은 '그래핀 제조장치 및 그래핀 제조방법' 등 6건의 국내 등록 특허와 1건의 PCT 국제 특허 및 준양산용 컨베이어 CVD 개발, CVD 그래핀의 양산기술, 질소 도핑된 그래핀의 합성 및 응용, DUV를 활용한 그래핀의 국소 기능화, TMD 소재의 패턴 성장, 다양한 2차원 이종 접합구조 형성 등 끊임없는 연구개발에 노력하고 있으며, 향후 R&D 분야에 필요한 나노소재를 CVD법에 의해 대면적으로 합성 후, 연구 목적(나노, 반도체, 바이오, 등을 포함한 융복합 연구)에 따라 해당 소재를 사양서와 함께 공급하는 서비스로 2024년 하반기 예비벤처창업을 준비중이다.

[서울=뉴시스] Conveyor-CVD 개념도 및 합성된 시료, 라만분광특성, 순수 및 질소 도핑된 그래핀 기반 이산화질소 (NO2) & 암모니아 (NH3) 가스 감지 응답 특성 (사진=세종대 제공) *재판매 및 DB 금지

한편 김근수 교수는 박사 후 연구원 시절(2007년~2010년), 초창기 그래핀 연구가 대부분 스카치 테잎에 의한 박리법으로 마이크로미터(μm)로 아주 작은 크기에 제한이 돼 있는 것을 극복하기 위해, '화학 기상 증착(CVD : chemical vapor deposition)'법을 사용해 그래핀을 대면적으로 합성하는 방법을 세계 최초로 개발했고, 반도체 나노소자로 응용 가능성뿐만 아니라 대면적 투명전극으로써의 응용분야를 제시해 관련 연구를 2009년 2월에 네이쳐 지에 게재한 바 있다. [참고문헌 : Nature 457, 706-710 (2009)]

이어서 2011년에는 기존에 수행했던 CVD 대면적 그래핀 합성 연구를 바탕으로, 그래핀의 합성시 미량의 불순물 원소(질소)를 주입함으로써 질소가 도핑된 그래핀을 합성해 미국 컬럼비아대학과 공동연구를 통해 기초물성 및 전자구조를 시각화해 규명해 사이언스 지에 게재한 바 있다. [참고문헌 : Science 333, 999-1003 (2011)] ]

향후 그래핀을 이용한 나노소자 응용시 순수 그래핀은 물론, 미량의 불순물을 첨가시켜 합성한 운반자(carrier)가 전자(n-type)[또는 정공(p-type)]인 도핑된 그래핀은 소재의 일함수(work-function)를 조절할 수 있는 기술을 확보함으로써, 일함수를 조절한 대면적 그래핀을 이용해 태양전지[또는 광전소자]의 음극과 양극 투명전극 소재의 응용 개발은 물론 다양한 에너지 전극소재로도 활용 가능하며, 국소적인 패턴 도핑 또는 기능화 그래핀 소재는 나노바이오 분야 연구개발 플랫폼으로도 활용 가능성이 높다.

특히 원자 한 층 정도의 두께를 가진 그래핀은 매우 유연하고 투명해서 미래의 유연 전자 소재∙소자로써의 그 응용 잠재력이 무궁무진할 것으로 전망된다.

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