(a)열-전기장-기계적압력을 이용한 그래핀의 직접 전사방법 (b) 기판 (PET, PDMS, 유리)에 전사된 그래핀 (c) PET기판에 전사된 그래핀

[충청포스트]고려대 한창수 교수팀이 한국과학기술원 및 한국기계연구원과 공동연구를 통해 금속기판에 형성된 그래핀을 원하는 기판으로 직접 전사(轉寫)하는 획기적 기술을 개발해 그래핀의 기술적 난제를 해결했다.

그래핀은 탄소 원자 1개 두께로 이루어진 얇은 막으로 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고 강철보다 200배 이상 강하면서도 뛰어난 탄성을 가짐. 구부릴 수 있는 디스플레이나 전자종이, 착용식 컴퓨터 등에서 미래 신소재로 주목받고 있다.

이번 연구는 별도의 처리 없이도 그래핀을 원하는 기판에 전사할 수 있을 뿐 아니라, 전사된 그래핀은 손상이 거의 없고, 금속판도 재사용이 가능하며, 시간과 비용이 매우 적게 들어 그래핀을 기반으로 하는 기술의 실용화에 큰 전기를 마련했다.
 
이번 연구결과는 재료과학분야의 세계적 학술지인 어드밴스드 머티리얼wm(Advanced Materials) 최신호 7월 17일자(Early View)에 게재되었다.
   ( 논문명 : Ultraconformal Contact Transfer of Monolayer Graphene on Metal to Various Substrates)

그래핀을 이용하여 실용적인 제품을 만들기 위해서는 수 센티미터(cm) 이상 크기의 고품질 그래핀을 화학기상증착법(CVD)을 이용하여 합성하고, 이것을 원하는 기판위에 전사시키는 기술이 필요하다.
 
기존의 전사 방법은 원자 한 개 층으로 이루어진 매우 얇은 그래핀이 뭉치면서 접혀지거나 찢어지지 않도록 얇은 폴리머층을 입히고 금속판을 녹여낸 후에 이를 다시 원하는 기판에 옮긴 후 얇은 폴리머층을 제거하는 방법을 사용해왔다.
 
이로 인해 그래핀을 전사하는데 시간과 비용이 많이 들었을 뿐 아니라, 그래핀을 분리하는 과정에서 발생된 불순물이나 그래핀 손상으로 인해 응용품의 성능이 저하되어 상용화로 가는데 큰 걸림돌이 되고 있었다.

▲ 한창수 교수

연구팀은 금속판 위에 있는 그래핀에 열, 전기장, 기계적압력을 이용해 기판을 강하게 부착해 그래핀과 기판과의 접착력을 금속판과의 접착력 보다 높게 만든 후, 기계적으로 뜯어내는 단순한 방법으로 그래핀을 원하는 기판에 전사하였으며, 특히 PET, PDMS, 유리와 같은 다양한 기판에 직접 전사하는데 성공하였다.
 
기존의 전사방법에 비해 시간과 비용을 크게 줄였으며, 불순물 생성이나 그래핀 손상도 거의 없다.
 
또한 기존의 전사방법은 전사한 후에도 그래핀과 전사된 기판 사이의 접착력이 낮은 문제가 있었으나 본 기술에서는 전사된 후 그래핀이 기판에 매우 강하게 접착되어 있으며, 기계적 탈부착시 및 높은 온도·습도 환경에서도 매우 안정된 특성을 보여주었다.

그래핀 물질을 다루는 기본적인 직접 전사 기술은 향후 그래핀을 이용한 전자소자를 비롯해 다양한 제품 개발에 활발하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 “이 연구는 그래핀의 상용화 및 다양한 제품에의 응용을 위해 반드시 극복해야할 문제에 대해 하나의 해결책을 제시한 것으로서 이를 바탕으로 그래핀 응용제품뿐만 아니라 새로운 2차원 나노소재의 전사에도 기여할 것”이라고  밝혔다.

한편, 한창수 교수 연구팀은 나노소재 응용에 관련된 우수한 연구실적을 발표하고 있는 세계적인 연구자로 어드밴스드 머터리얼스지를 포함한 국제적으로 정상급 논문에 다수의 논문을 발표하였으며, 현재 유연 전자 소자, 나노센서, 양자점등에 대한 심도있는 연구를 수행하고 있다.