꿈의 신소재 그라핀을 상온에서 대량생산할 수 있는 방법이 국내 연구진에 의해 처음으로 개발되었다.

성균관대 이효영 교수가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적 연구)의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 세계적으로 권위 있는 과학 전문지인 네이처의 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature communications)’ 온라인 속보(9월 22일자)에 게재되었다.

성균관대 화학과 이효영 교수 (가장 왼쪽)가 그라핀옥사이드에서 그라핀으로 환원되는 과정을 전류-전압 측정을 통하여 확인하고 있다.

그라핀(Graphene)은 셀로판지처럼 얇은 두께의 컴퓨터 모니터나 시계처럼 찰 수 있는 휴대폰, 종이처럼 접어 지갑에 넣고 휴대할 수 있는 컴퓨터 등을 만들 수 있는 전 세계적으로 각광받는 꿈의 신소재이다.

그라핀은 육각형의 탄소화합물로, 실리콘에 비해 100배 이상 전자를 빨리 이동시키고 휘거나 비틀어도 깨지거나 부서지지 않으며, 구리보다 100배 더 많은 전류가 흐르고, 다이아몬드보다 2배 이상 단단해, 지금보다 수백 배 이상 빠른 반도체를 만들 수 있는 차세대 전자소재로 활발히 연구되고 있는 물질이다.

환원제, HI-AcOH을 사용하여 그라핀 옥사이드에서 그라핀으로 변하는 모식도 그림

이효영 교수 연구팀은 지금까지 시도되지 않은 새로운 환원제(요오드산, HI)를 이용하여 상온공정으로 불순물이 없는 고품질의 그라핀을 대량 생산할 수 있는 가능성을 보였다. 특히 이 방법은 실리콘 등 딱딱한 재질의 기판뿐만 아니라, 휘어지는(flexible) 플라스틱 기판에도 활용될 수 있다는 것이 큰 특징이다.

현재까지 그라핀을 생산하는 방법은 크게 4가지로, 스카치테이프 방법, 화학증착법(CVD), 실리콘 카바이드 절연체를 이용한 에피택셜(Epitaxial) 방법 및 환원제를 통한 화학적 방법 등이다. 그 중 대량생산이 가능한 것은 환원제를 이용한 방법인데, 다른 3가지 방법에 비해 불순물이 남는 등 품질이 떨어지는 단점이 있었다.

이 단점을 극복하기 위해 환원제에 대한 다각적인 연구가 진행되었고, 그중에서 하이드라진 방법이 널리 사용되었지만, 여전히 고온(섭씨 120도) 공정이고 불순물(질소)이 남는 등 문제점이 제기되었다.

그러나 이 교수팀은 기존의 하이드라진 방법보다 훨씬 더 낮은 상온 (섭씨 40도)에서 불순물이 거의 없는 품질 좋은 그라핀을 합성하였다.

이번 연구결과로 현재까지 일부 미국 회사에서만 생산하고 있는 품질 좋은 그라핀을 우리나라에서도 대량 생산할 수 있는 가능성을 열었다.

이번 연구결과를 통해 상온에서 고품질의 그라핀을 대량 생산할 수 있는 가능성을 보여, 우리나라도 차세대 전자재료산업에서 선진국들과 어깨를 나란히 할 수 있게 되었다.

연구팀은 현재 국내특허 출원을 완료하고, 미국, 유럽, 중국, 일본 등 국외특허 출원을 진행하고 있으며, 향후 기술이전도 계획하고 있다.

이효영 교수는 “그라핀은 실리콘으로는 더 이상 진척이 없던 반도체 정보 처리속도를 획기적으로 높여줄 뿐만 아니라, 초고속반도체나 고성능 태양전지개발 등 다양한 분야에서도 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

이번 연구를 통해 무궁무진하게 응용할 수 있는 그라핀을 대량생산할 수 있게 되어, 우리나라도 차세대 전자재료산업 강국으로 발전할 수 있는 기반을 마련하였다.”라고 연구의의를 밝혔다.