▲ (左부터)김택수 KAIST 기계공학과 교수와 선택적 결함 치유를 통해 가시화된 그래핀 결함의 광학적 이미지.

국내 연구진이 전기화학적 환원방식을 이용해 손상된 그래핀의 결함을 메우는 기술을 개발했다. 향후 대면적 그래핀등 그래핀이 품질 관리에 큰 도움을 줄 것으로 보인다.

KAIST 기계공학과 김택수 교수 연구팀이 금속 입자를 통해 그래핀의 결함을 없앨 수 있는 기술을 개발해 향후 다양한 기판위에서 적용된 그래핀의 기계적, 전기적 특성을 향상시킬 수 있을 것으로 보인다고 지난 21일 밝혔다.

그래핀은 높은 전하이동도와 기체투과방지, 얇은 두께(0.34nm) 등의 특성 때문에 매우 유연하고 광학적으로 투명하다는 장점이 있다. 이를 이용해 투명전극, 기체투과방지막, 디스플레이 등 다양한 분야에 적용이 가능하다.

그러나 화학기상증착법으로 합성된 그래핀은 용융 금속이 응고성장시 서로 만나는 부근에서 생기는 결정립 경계와 작은 구멍같은 핀홀 등의 결함을 내재해 그래핀의 전기적 기계적 특성을 저하시키고 있었다.

이에 연구팀은 문제 해결을 위해 금속 이온의 전기화학적 환원 방식을 이용하는 전기 도금 방식과 거의 유사한 전기화학적 증착 방식을 이용했다.

그래핀을 음극(cathode)에 연결 후 직류 전류를 가하면 용액 속의 금속 이온이 그래핀의 결함 부분에 선택적으로 환원되며 증착하는 원리이다.

이를 통해 그래핀에서 발생한 결함에 선택적으로 은을 증착시킬 수 있음을 확인했다. 전도성 기판 뿐 아니라 세라믹, 고분자 등의 절연 기판에서도 똑같이 금속이 그래핀의 결함에 선택적으로 증착됐다.

증착된 은 입자는 결함 사이를 전기적, 기계적으로 연결해주는 역할을 해 그래핀의 전기전도도 및 연신율을 향상시켰다. 특히 다층 그래핀의 경우 전기전도도가 약 11.54배, 연신율이 약 61% 가량 증가함을 확인했다.

이 치유법은 인장(引張)이나 스크래치 등 물리적인 압력에 의해 의도적으로 손상된 그래핀에도 적용 가능하다.

연구팀은 투과도 감소, 전기 도금 공정의 최적화 등이 해결된다면 고품질 대면적 그래핀의 품질 관리 기술, 그래핀 기반의 유연전자소자 등에 적용 가능할 것이라고 밝혔다.

김 교수는 “연구를 통해 그래핀 결함을 손쉽게 치유해 전기적, 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 원천기술이다”며 “그래핀의 상용화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

기계공학과 윤태식 박사과정 연구원이 1저자로 참여한 이번 연구는 산업통상자원부 그래핀 소재-부품 기술 개발사업과 한화테크원의 지원으로 수행됐다.

한편, 이번 연구는 지난해 12월 29일 국제학술지 ACS Nano 온라인 판에 게재됐다. (논문명: Healing Graphene Defects using Selective Electrochemical Deposition: Toward Flexible and Stretchable Devices)

▲ 연구 대표도.