그래핀 상용화 걸림돌 ‘나노구멍’ 자기조립 현상으로 해결~

그래핀 상용화 걸림돌 ‘나노구멍’ 자기조립 현상으로 해결

- 유기물이 스스로 정렬하는 자기조립 현상 이용, 그래핀 나노구멍 문제 해결

- 그래핀의 투명성과 유연성을 유지하면서 가스차단 성능을 크게 향상시켜 폴더블·스트레처블 등 차세대 디스플레이에 적용 기대 

디스플레이에 쓰이는 발광 소재들은 공기 중의 산소 및 수분에 취약해 이를 차단하기 위한 가스 차단막이 필요하다. 기존에는 무기물 소재를 가스 차단막으로 이용했으나, 여러 번 접는 폴더블 디스플레이 및 스트레처블 디스플레이에는 휘어지고 늘어지는 물성을 가진 새로운 가스 차단막 소재 개발이 필요하다. 그래핀은 이러한 물성을 가지면서도 거의 모든 가스를 차단할 수 있는 이상적인 구조를 가진 탄소소재이나, 디스플레이 수준으로 크게 만드는 과정에서 생기는 수많은 나노구멍들에 의해 가스 차단성이 현저히 떨어지는 단점을 가지고 있어 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 기능성복합소재연구센터 안석훈 박사 연구팀이 가천대학교 화학과 김명종 부교수, 한양대학교 화학과 강영종 교수와 공동으로 자기조립 현상(그래핀 표면위에서 유기물이 스스로 정렬하는 현상)을 이용하여 그래핀의 고유특성을 유지하면서도 그래핀 박막의 나노구멍을 메우는 기술을 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 그래핀을 대면적으로 합성하는 과정에서 발생하는 나노구멍으로 가스차단 효과가 떨어지는 문제를 해결하기 위해 긴 체인구조를 가지는 유기물질들이 그래핀 표면위에서 스스로 정렬하여 유기박막을 형성하는 자기조립 현상을 이용하였다. 유기박막이 가스분자가 유입되는 이동통로인 그래핀의 나노구멍을 막아줌으로써 수분투과율을 기존 그래핀 가스차단막의 1/700 수준으로 낮추었다. 또한 유기박막의 두께를 나노미터 수준으로 제어함으로써 차세대 디스플레이 가스 차단막에 필요한 물성인 투명성과 유연성을 그래핀에서 유지할 수 있었다.

KIST 안석훈 박사는 “본 연구를 통하여 개발된 유기물의 자기조립 현상을 적용하여 그래핀의 나노구멍을 메우는 기술은 그래핀의 투명하면서도 잘 휘어지는 고유특성을 유지하면서도 가스 차단성을 크게 높일 수 있다”며 “차세대 가스차단막으로 그래핀의 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 기대했다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) KIST 기본사업(책임자: KIST 김진상 전북분원장) 및 한국연구재단의 중견연구자지원사업(책임자: 가천대학교 화학과 김명종 부교수, 한양대학교 화학과 강영종 교수)의 지원을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 나노소재 분야의 국제학술지인 ‘Nano Letters’ (IF : 11.189, JCR 분야 상위 9.062%) 최신 호에 게재되었다.

 * (논문명) Two-dimensional stacked composites of self-assembled alkane layers and graphene for transparent gas barrier films with low permeability

   - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김윤정 학생연구원

   - (교신저자) 한국과학기술연구원 안석훈 책임연구원

   - (교신저자) 가천대학교 김명종 부교수

   - (교신저자) 한양대학교 강영종 교수

연구결과 개요

1. 연구배경

  ○ 폴더블, 스트레처블 등 차세대 디스플레이 구현을 위해서는 투명하면서도 휘어지고 늘어나는 물성을 가지는 새로운 가스차단막 개발이 필요함

  ○ 그래핀은 어떠한 가스분자도 통과시키지 않은 탄소구조와 투명하면서도 휘어지고 늘어나는 물성을 가지고 있어 차세대 가스차단막으로 사용이 가능함 

  ○ 하지만, 상용화를 위해 대면적으로 그래핀을 합성하는 과정에서 수많은 나노구멍들이 형성되기 때문에 아주 낮은 가스차단성을 나타내는 문제가 발생함

  ○ 본 연구에서는 그래핀 표면위에서 유기물이 스스로 잘 정렬하는 현상을 이용하여 그래핀의 나노구멍들을 막음으로써 상용화에 걸림돌이 되었던 가스차단성을 현저히 향상시키는 기술을 개발함

2. 연구내용

  ○ 긴 사슬구조를 가지는 유기분자들은 그래핀 표면위에서 강한 상호작용을 통해 자연스럽게 정렬하게 되며, 그래핀에 나노구멍이 있는 곳에서도 유기분자들끼리 정렬하는 힘에 의해 유기분자막이 나노구멍들을 덮게되어 가스분자들의 이동통로를 차단할 수 있음

  ○ 또한, 이렇게 정렬되는 유기분자막의 두께를 나노미터 수준에서 제어하여, 그래핀의 투명성과 유연성을 유지하면서도 그래핀과 그래핀사이의 공간을 차단하여 가스차단성을 더욱 향상시킴 

  ○ 그래핀과 정렬된 유기물을 적층한 복합필름의 경우 그래핀의 투명성과 휘어지는 특성을 유지하면서도 그래핀의 수분투과율을 1/700로 낮추어 가스차단성을 크게 향상시키는 결과를 확임함  

3. 기대효과

 ○ 그래핀의 고유 물성인 투명성, 유연성을 유지하면서도 유기물의 자기조립현상을 이용하여 ‘나노구멍’을 메우기 때문에, 폴더블, 스트레처블 등의 차세대 디스플레이의 가스차단막으로 사용될 수 있을 것으로 기대됨

 ○ 본 연구는 그래핀의 가스차단성을 향상시키는 보조기술로써, 향후 그래핀의 합성과 전사기술 등이 더 발전하게 되어 그래핀 원소재의 가스차단성이 향상되면 보조기술인 유기물 자기조립현상을 이용하여 더 높은 가스차단성을 구현할 수 있을 것으로 기대됨

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?

□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?