Ultraconformal Contact Transfer of Monolayer Graphene on Metal to Various Substrates

 국내 연구진이 금속기판에 형성된 그래핀을 원하는 기판으로 직접 전사(轉寫)하는 획기적 기술을 개발하여 그래핀의 기술적 난제를 해결하는 새로운 길을 열었다.
  * 그래핀 : 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 있음

 
 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 마련하게 되었다.

이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프론티어사업(나노기반소프트일렉트로닉스연구단(조길원 단장))의 지원으로, 한창수 교수(고려대 기계공학과)팀이 한국과학기술원(KAIST), 한국기계연구원과 공동연구를 통하여 수행하였으며, 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.

연구팀은 금속판 위에 있는 그래핀에 열, 전기장, 기계적압력을 이용해 기판을 강하게 부착하여 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.

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 연구의의를 밝혔다.

연 구 결 과 개 요

1. 연구배경

 전기적/기계적/화학적/물리적으로 매우 뛰어난 특성을 가지는 세계에서 가장 얇은 두께의 그래핀에 대한 관심은 갈수록 높아지고 있으며, 다양한 응용분야에의 연구도 활발히 진행되고 있다.

 현재 그래핀을 이용하여 제품을 제작할 때, 대부분 화학기상증착법을 이용하여 대면적의 그래핀을 합성하고 이것을 원하는 기판에 전사시키는 과정이 필요하다. 이때 여러가지 문제점이 발생하는데, 첫 번째 문제는 금속판을 에칭하는 것이다. 이 과정은 시간이 오래걸려서 생산성에 문제가 되고 있으며, 녹은 금속자체도 불순물이 되어 환경에 매우 유해하다. 또한 이 때 수용액속에서 그래핀이 오염되거나 손상되곤 한다. 둘째는 그래핀이 수용액속에서 그 형태를 잘 유지하고 손상을 줄이기 위해 PMMA와 같은 얇은 폴리머층을 입히게 되는데, 금속판을 녹인 후 원하는 기판에 그래핀을 옮기고 나서 결국 이 폴리머층을 제거해야 한다. 이 때, 이 폴리머층을 완전히 제거하기가 매우 어렵기 때문에 그래핀의 표면이 오염되어 그 위에 소자를 만들게 되면 원하는 성능을 낼 수 없는 문제가 발생한다. 세 번째는 기존의 방법은 대체로 그래핀을 원하는 기판에 전사한 후에 전사된 기판과 그래핀의 접착력이 단순히 자연적인 접촉에 의해 이루어지기 때문에 접착력이 매우 약한 문제를 가지고 있어서 기계적/전기적 안정성을 확보하기가 용이하지 않다.

 그래핀을 이용해 투명전극, 배리어, 전자소자등 다양한 응용에 적용하기 위해서는 반드시 전사공정을 거치게 되는데 기존의 방법으로는 시간과 비용이 많이 들고, 불순물이 많이 발생하며, 그래핀에 손상이 발생하게 되어 많은 연구자들이 다양한 방법으로 문제를 해결하기 위해 노력해 왔다.

  본 연구팀은 금속판위에 성장한 그래핀 위에 전사될 기판을 접착시킨 후, 기계적 압력, 높은 온도, 높은 전기장을 가하여 그래핀과 전사될 기판사이에 큰 접착력이 발생하도록 하였다. 전사된 그래핀은 기존의 수용액에서의 전사방식을 통해 얻은 그래핀에 비해 손상정도가 적고, 85°C, 85%의 매우 높은 상대습도 및 온도 환경에 노출되었을 때에도 기계적/전기적으로 안정된 특성을 높은 고성능을 유지하는데 성공했다.

  고려대 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.