김근수 세종대 교수팀, 고품질 그래핀 대량 생산 기술 개발…”스마트폰 크기”

Conveyor-CVD 개념도 및 합성된 시료, 라만분광특성, 순수 및 질소 도핑된 그래핀 기반 이산화질소 (NO2) & 암모니아 (NH3) 가스 감지 응답 특성. /세종대

김근수 세종대 물리천문학과 교수 연구팀이 스마트폰 크기의 고품질 그래핀을 대량 생산 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

김근수 세종대 물리천문학과 교수 연구팀은 국립공주대학교와 공동 연구로 국제 저명 학술지에 논문 게재됐다. 이번 연구는 이동윤 박사과정생(제1저자), 김근수 교수(교신저자)와 장아랑 국립공주대학교 교수(교신저자)의 공동 연구결과다.

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 됐다. 이후 지속적인 연구 개발로 근래에는 수십 cm 폭으로 백여 m 길이까지 연속 생산할 수 있다.

기존에는 CVD법으로 생산한 그래핀 품질은 좋으나, 생산 속도가 매우 느렸다. 또 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. 연구팀 관계자는 “장비의 크기를 키우고 자동화해 더 큰 그래핀을 원하는 품질로 양산 가능할 것”이라며 “이러한 시료는 그래핀을 활용한 다양한 응용개발 제품들의 연구개발을 위한 원소재 시장에 공급이 가능할 것”이라고 기대했다.