화학연, 파라핀으로 그래핀 주름·불순물 제거

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양초 주성분인 '파라핀'을 이용해 그래핀 표면 주름이나 불순물을 쉽게 제거하는 기술이 나왔다. 그래핀이 지닌 다양한 특성을 향상시킬 수 있어 지지부진한 소재 상용화를 앞당길 수 있을 전망이다.

한국화학연구원(원장 김성수)은 홍진용 탄소산업선도연구단 박사팀이 징콩 매사추세츠공과대학(MIT) 교수팀과 함께 그래핀 전사과정에서 생기는 표면 주름이나 기포, 불순물을 없애는 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

그래핀 전사과정에 고분자(PMMA)와 파라핀을 썼을 때 표면 모습을 비교한 이미지. 파라핀 전사 그래핀은 주름이나 잔여물이 없다.
<그래핀 전사과정에 고분자(PMMA)와 파라핀을 썼을 때 표면 모습을 비교한 이미지. 파라핀 전사 그래핀은 주름이나 잔여물이 없다.>

그래핀은 흑연 한 층으로 이뤄진 박막 소재다. 실리콘보다 전자이동도가 100배 높고 강도는 강철보다 200배 강한 '꿈의 신소재'다. 유연 디스플레이나 태양전지, 연료전지 등 활용분야가 무궁무진하지만 아직 상용화 문턱을 넘지 못하고 있다.

전사과정에서 생기는 문제가 크다. 그래핀은 화학기상증착법(CVD)으로 금속촉매와 고분자 필름 코팅막 사이에 탄소를 성장시켜 만드는데, 이를 기판 위에 옮기는 전사과정에서 주름이 생긴다. 이후 고분자필름을 제거하는 과정에서 잔여물이 남는 문제도 있다. 이들은 그래핀 품질 하락 원인이 된다.

연구팀은 파라핀으로 고분자필름을 대체해 문제를 해결했다. 주름은 파라핀 열팽창으로 없앴다. 파라핀에 열을 가하면 액체 상태로 변화하면서 부피가 불어나는데, 이 팽창하는 힘으로 밑에 위치한 그래핀 주름을 피는 원리다.

홍진용 박사가 웨이퍼 위에 전사한 그래핀을 살펴보는 모습
<홍진용 박사가 웨이퍼 위에 전사한 그래핀을 살펴보는 모습>

파라핀을 다시 식혀 고체화하면 이후 과정에서 제거하는 것도 쉽다. 파라핀은 그래핀과 덜 달라붙어 용매를 이용해 잔여물 없이 제거할 수 있다.

연구팀은 이 방법으로 기존 공정대비 그래핀 특성을 대폭 높일 수 있다고 설명했다. 저항균일도는 5.6배, 전자이동도는 4.5배나 오르는 것을 확인했다. 전자소자 안정성도 크게 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다.

홍진용 박사는 “그동안 그래핀 상용화를 가로막았던 문제를 동시에 해결했다”며 “다양한 그래핀 응용 제품을 상용화하는데 중요한 전환점을 마련했다”고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com