양우석 전자부품연 박사팀
"그래핀 상용화 가능성 높여"
"그래핀 상용화 가능성 높여"
■2017 사업화 유망 히든테크
(6) 산화 그래핀 연속 제조 공정
흑연에서 벗겨낸 얇은 탄소 원자막인 그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고 반도체로 주로 쓰이는 실리콘보다 100배 이상 전자 이동성이 빠르다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하며 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 또 빛을 대부분 통과시키기 때문에 투명하며 신축성도 매우 뛰어나다. 이런 특성 때문에 '꿈의 신소재'로 불리는 그래핀은 플렉서블 디스플레이, 에너지용 전극, 차세대 반도체 등 다양한 응용 분야에서 연구되고 있지만, 양산이 쉽지 않다는 점이 상용화로 가기 위한 과제로 남아있다.
양우석 전자부품연구원 융복합전자소재연구센터 박사팀은 공정시간과 오염물질 배출을 획기적으로 줄인 '산화 그래핀 연속 제조 공정' 기술을 개발해 그래핀 상용화의 가능성을 높이고 있다.
양 박사팀이 개발하고 있는 그래핀 생산법은 흑연을 산화시켜 단층의 '산화 그래핀'으로 만들고, 이를 다시 환원해 그래핀을 제조하는 방법이다.
이 같은 화학적 합성법은 대량생산이 가능하고 비교적 낮은 비용으로 그래핀을 생산할 수 있다는 점에서 주목을 받고 있다. 다만 기존에 사용하던 생산 방식은 흑연을 산화 그래핀으로 만드는 과정에서 황산과 질산 등 강산을 사용해 이를 제거하기 위한 후처리 비용과 오염 문제가 남아있었다. 또 산화 그래핀 제조과정에서 화학반응에 걸리는 시간이 짧게는 수 시간에서 길게는 수일까지 걸려 연속 공정이 어려웠다.
연구팀은 층상구조를 갖는 2차원 물질에 응력을 부여해 반응성을 높이는 기술을 개발해 이를 산화 그래핀 제조 공정에 적용했다. 이를 통해 흑연 층간 사이에 강산과 산화제가 빠르게 침투되고 화학 반응이 촉진되면서 산화 그래핀 박리 공정시간이 획기적으로 단축됐다. 이 방법은 산화 그래핀 제조 과정에서 발생하는 폐수도 최소화 할 수 있다. 필터를 이용하면 기존과 비교해 50배 이상 낮은 점도를 갖는 반응물과 폐산으로 분리가 가능하고, 분리된 폐산은 산화 그래핀을 제조하는 데 재사용 할 수 있다.
연구팀은 산화 그래핀 세척에 사용되는 물의 양을 기존보다 70% 이상 줄이고, 세척 시간도 9배 이상 단축했다. 이와 함께 세척한 산화 그래핀을 200℃ 이하의 온도에서 건조하는 대량 건조 기술도 확보했다. 산화 그래핀의 재응집 현상을 방지하기 위해 개발한 이 기술은 기존 열풍건조법보다 매우 빠른 속도로 대량의 산화 그래핀 건조가 가능하다.
연구팀이 개발한 산화 그래핀 연속 제조 공정 기술은 올해 초 과학기술정보통신부의 연구성과사업화지원 기술컨설팅(유망기술) 과제로 선정돼 본격적인 실용화 연구에 나설 예정이다.
남도영기자 namdo0@
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