▲ 기계연 나노역학연구실 김재현 박사가 그래핀 롤투롤 전사 시스템을 운용하고 있다..

전도도, 강도, 전도성이 뛰어나 꿈의 소재로 불리는 그래핀을 태양전지 및 디스플레용 투명전극으로 양산화할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

미래창조과학부 산하 한국기계연구원(원장 임용택)은 그래핀을 폭 0.5 m의 대면적 롤전사로 분당 2 m의 속도로 전사해 유연 투명 전도체 필름을 대량생산하는 시스템의 핵심원천기술을 세계 최초로 개발했다고 4일 밝혔다.

그래핀은 뛰어난 특성과 함께 가격도 상대적으로 저렴해 태양전지, 디스플레이 등의 투명전극 소재로 각광을 받고 있다. 그러나 그래핀은 단원자층으로 구성돼 있어 매우 작은 힘에 의해서도 쉽게 파손되기 때문에 전사 과정 중에 어떻게 파손을 제어하느냐가 그래핀 응용의 숙제로 남아있었다.

기계연 나노역학연구실 김재현 박사팀은 파손을 줄이기 위해 전사 공정 시에 그래핀에 전달되는 마찰력, 수직항력, 인장력 등을 동시에 줄이거나, 일정한 값으로 유지하는 다축 하중 제어 기술을 구현하는 데 성공했다.

이 기술을 통해 연구팀은 합성된 그래핀을 열박리테이프에 붙이고 온도차가 있는 롤러쌍 두 개를 활용해 그래핀을 유연기판으로 전사하는 방식을 사용했다. 전사하는 과정에서 그래핀이 파손되지 않도록 롤러의 상대적 속도 및 다축 하중을 제어해 연속공정이 가능한 롤투롤 장비를 구현한 것이다.

이로써 전기적 특성이 우수하면서도 균일성이 매우 높은 그래핀 유연 필름을 높은 생산성으로 대면적으로 전사하는 것이 가능해졌다.

그래핀은 나아가 전자소자용 확산/투습 방지층, 방열 및 발열 필름, 초고속 RF 소자 등에 적용 가능한 재료로도 주목받고 있어 이번 개발로 우리나라가 그래핀을 활용한 제품의 세계 시장을 선점할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

연구책임자인 김재현 박사는 “그래핀은 메탄가스로부터 저렴한 비용으로 합성이 가능하지만 그래핀 투명 전도체 필름의 전기적 특성이 일정하지 않아 상용화에 어려움을 겪어왔다”며, “이번 개발이 터치패널, 열전달 필름, 전자파 차폐·변조 필름 등 다양한 그래핀 응용 제품을 상용화하는 데 중요한 전환점이 될 것으로 보인다”고 밝혔다.

한편, 이 기술과 관련된 9건의 특허가 미국, 한국 등에 등록됐고, 추가로 8건의 특허가 출원 중이다. 관련 연구 결과는 ACS Nano, Scientific Report, Nanoscale 등의 저널에 출판됐다. 이중 그래핀 전사 장비 특허는 롤투롤 장비 전문기업 ㈜아이펜에 기술 이전돼 상용화가 진행 중이며, 올해 안에 그래핀 전사 장비의 해외 수출도 기대된다.