KAIST, 銀으로 그래핀 결함 제거 기술 개발

그래핀 표면의 스크래치를 전기도금을 통해 치유하는 사진(왼쪽).  결함 치유 후 'HEALING' 이라는 글자에 은이 선택적으로 증착됨으로써 가시화 된 모습(오른쪽) [사진=카이스트 제공]

아주경제 최서윤 기자 = KAIST(카이스트·한국과학기술원)는 김택수 기계공학과 교수 연구팀이 금속 입자를 통해 그래핀의 결함을 없앨 수 있는 기술을 개발했다고 20일 밝혔다. 이번 연구를 통해 다양한 기판 위에 적용된 그래핀의 기계적, 전기적 특성을 향상시킬 수 있다는 것이 증명됐다.

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 적용할 수 있다.

그러나 화학기상증착법으로 합성된 그래핀은 결정립 경계(grain boundary·용융 금속이 응고 시 성장하면서 서로 만나는 곳에서 생기는 경계면) 및 핀 홀(pinhole·작은 부풀음, 구멍) 등 많은 결함을 내재하고 있어 그래핀의 전기적, 기계적 특성을 저하시킨다.

연구팀은 문제 해결을 위해 전기 도금 방식과 거의 유사한 전기화학적 증착 방식을 이용했다. 이는 금속 이온의 전기화학적 환원 반응을 이용하는 것으로, 그래핀을 음극(cathode)에 연결 후 직류 전류를 가하면 용액 속의 금속 이온이 그래핀의 결함 부분에 선택적으로 환원되며 증착하는 원리다.

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

금속 이온의 전기화학적 환원을 이용한 그래핀 결함 치유 모식도 [그림=카이스트 제공]

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.

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