대면적 그래핀 고속검사 기술 개발로 그래핀 상용화
중앙대 손형빈 교수 연구팀
중앙대 손형빈 교수 연구팀 대면적 그래핀 고속검사 기술 개발로 그래핀 상용화 앞당긴다!
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그래핀은 현대 산업 뿐만 아니라 미래산업에서 가지는 의미와 가치가 상당히 큰 신소재입니다. 하지만 꿈의 나노물질로 불리는 그래핀은 상용화에 여러 어려움을 겪고 있었습니다. 그래핀 플레이크의 경우엔 여러 양산 방법들이 고안되면서 유의미한 단가 하락을 이끌 수 있는 대안이 생겼지만 문제는 CVD법을 통해 얇은 필름으로 제작되는 그래핀의 경우에는 손상 이슈에 대한 유의미한 대안을 고안하지 못해 상용화에 어려움을 겪고 있었던 것이 사실입니다.
그런데 이러한 필름형 그래핀의 결함을 500만화소의 카메라로 짧은 시간 내에 살펴볼 수 있는 고속 품질검사 방법이 중앙대 융합공학과 손형빈 교수 연구팀에 의해 고안되어 필름형 그래핀의 양산에 큰 도움이 될 것으로 기대됩니다. 오늘은 손형빈 교수 연구팀이 개발한 그래핀 품질 검사 기법은 무엇인지, 그리고 이 기술이 필름형 그래핀 양산에 어떤 영향을 줄지에 대해서 간단하게 살피겠습니다.
그래핀이란?
오늘 내용의 이해를 돕기 위해 잠시 그래핀이 어떤 물질인지에 대해 짧게 설명 드리겠습니다. 그래핀은 1947년부터 이론상으로는 제작이 가능한 것으로 알려져 있던 물질입니다. 하지만 이론상으로만 존재하던 미지의 물질이었죠. 하지만 2004년 안드레 가임 박사와 콘스탄틴 노보셀로프가 처음으로 흑연가루를 지속적으로 스카치 테이프를 이용하여 떼었다 붙였다를 반복하는 방법으로 그래핀을 분리해내는 데에 성공하면서 그 존재가 세상에 알려졌습니다.
2004년 이론으로만 존재하던 그래핀이 실제 존재함이 밝혀지면서 그래핀이 가진 물성에 대해서도 많은 관심이 집중되었습니다. 간단하게 그 특징을 살펴보자면 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고 반도체의 주 재료인 단결정 실리콘에 비해 100배 이상 전자를 빠르게 이동할 수 있습니다. 또한 강철보다 200배 강하고, 최고의 열 전도성을 가지는 다이아몬드의 2배 이상 열 전도성이 높습니다. 또한 탄성도 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않습니다. 이런 특성으로 인해 그래핀은 차세대 신소재로 각광받는 탄소나노튜브를 뛰어넘는 소재로 평가 받으면서 꿈의 나노물질로 불리게 되었습니다.
꿈의 나노물질 그래핀을 만드는 방법에는 두 가지가 있습니다. 화학적 박리법과 화학기상증착법으로 불리는 CVD법이 그것입니다. 이번에 진행된 연구는 CVD법을 통해 제조되는 그래핀 필름의 품질검사 기술에 관한 것입니다. 간단히 CVD법에 대해 살펴보면 다음과 같습니다.
그래핀 필름을 만들기 위해서는 탄소입자가 잘 성장할 수 있도록 돕는 촉매 기판인 구리나 니켈 기판에 탄소입자를 전개한 뒤 고압과 고열을 가해 촉매 기판에 접촉시킨 후 급속 냉각하여 촉매 기판에 성장된 그래핀을 박리합니다. 이후 박리된 그래핀을 부도체 기판에 전사하는 공정을 거칩니다. 이때 촉매기판에서 성장된 그래핀을 박리하는 과정에서 불순물이 첨가되거나 그래핀이 구겨지고, 찢어지는 등의 손상을 입을 가능성이 매우 큽니다. 손형빈 교수팀이 개발한 고속 품질검사는 바로 이러한 전사 그래핀의 손상 여부를 매우 빠른 속도로 판단하기 위해 필요한 기술입니다.
이제까지는 그래핀 필름의 손상 여부를 판단하기 위해 고가의 공초점 라만분광법이나 원자 현미경을 통해 수백 마이크로 제곱미터 면적 표면의 결함을 측정했었습니다. 중요한 것은 이러한 검사 기법들은 고가인 데에다가 검사 가능한 단위 면적도 좁고, 단위면적 당 검사 시간도 짧게는 10분에서 길게는 몇 시간까지도 소요되었습니다.
그래서 양질의 그래핀 필름을 대량으로 양산하기 위해서 검사 장비의 가격과 검사 시간을 획기적으로 줄임을 통해 공정 단가를 낮추는 것이 필요했습니다. 이러한 필요에 따라 고속 품질검사 방법을 고안하게 되었습니다.
기존 방식은 수백 제곱마이크로미터(㎛2) 면적을 검사하는 데에 10분에서 몇 시간이 걸렸다면 손형빈 교수 연구팀에 의해 새로 개발된 검사법은 기존 장비에 비해 구조가 단순한 위상천이 간섭계를 이용하여 고해상도 카메라로 1제곱밀리미터(mm2) 영역의 그래핀 표면을 4초 – 7초 이내에 검사하는 데에 성공했습니다.
쌀알 면적의 그래핀 영역에 대해 사진 4-7장을 연속적으로 얻고 표면에서 반사된 빛의 위상을 계산합니다. 이를 통해 표면의 높이 정보를 얻어 표면의 찢어짐이나 주름, 혹은 불순물의 존재를 알아냈습니다.
기존의 검사방식이 팀침을 표면의 여러 지점으로 옮기면서 순차적으로 측정해 나갔던 것에 비해 새로 개발된 방식은 보다 대면적의 영역을 짧은 시간 안에 검사가 가능하기에 검사 시간을 유의미하게 줄일 수 있습니다.
검사 방법이 단순해지고 검사 시간이 줄어들면서 검사에 필요한 비용의 절감효과도 뛰어나 그래핀 필름의 단가 하락에도 기여할 것으로 보여 그래핀 필름의 대량 양산에도 긍정적인 효과를 기대할 수 있게 되었습니다.
이번 연구결과는 국제학술지인 ‘어드밴스트 머터리얼즈’ 지난 24일자에 계제됨을 통해 그 학술적 가치를 인정받았습니다.
정리합니다.
필름형 그래핀은 촉매 기판에서의 박리과정, 그리고 부도체 기판에서 박리해내는 최종 공정에서의 필름 손상 문제로 인해 양산에 어려움을 겪고 있었습니다. 또한 불량을 검사하는 과정에서 걸리는 시간과 고가의 장비로 인해 비용이 상승하는 문제점을 가지고 있었습니다.
하지만 이번 중앙대 손형빈 교수 연구팀이 위상천이 간섭계와 고성능 카메라를 통해 그래핀 표면을 고속으로 평가할 수 있는 검사 기법을 개발해냄을 통해 그래핀 불량 검사의 비용을 줄이고, 시간을 단축함을 통해 필름형 그래핀 양산에 유의미한 한 발자국을 떼었습니다.
이번 기술이 개발됨을 통해 국내 필름형 그래핀 양산에 큰 도움이 되길 바랍니다. 현재 필름형 그래핀을 생산하는 기업은 홍병희 교수님을 필두로 한 그래핀스퀘어, 국일제지 등이 있습니다. 국일제지는 상장이 되어 있죠? 국일제지의 그래핀 제조 기술에 대해서는 추후 다른 컨텐츠를 통해 분석하는 시간을 별도로 갖도록 하겠습니다. 관심 많이 가져주시고요.
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