그래핀 산업화의 현황 정부가 ‘꿈의 나노소재’로 불리는 그래핀의 핵심기술 개 발과 상용화를 통해 2025년까지 관련 산업에서 매출 19 조원, 약 5만 명의 고용창출을 달성하겠다는 목표를 내놨 다. (연합뉴스 2015년 4월 6일 보도 인용) 위 신문기사에서 알 수 있듯이, 그래핀 연구는 이제 기 초연구 단계를 넘어 산업화를 향해서 달려가는 단계에 들어섰다. 오랫동안 이론 연구의 대상이었던 그래핀은 2004년 영국 맨체스터 대학의 Geim과 Novoselov가 실 험실에서 스카치테이프를 이용하여 흑연으로부터 그래핀 을 박리하는데 성공한 후, ‘꿈의 소재’에서 ‘실현 가능한 21세기 산업의 핵심 기반소재’로 주목받게 됐다. 현재 많 은 연구자들이 그래핀 응용 연구와 산업화를 위한 기반기 술 개발을 진행하고 있으며, 세계 각국의 지적재산권 획 득경쟁이 치열한 상태이다. 산업화를 실현하기 위해서는 우수한 물성을 구현한 그 래핀 양산화기술 개발이 필수다. 그래핀은 탄소원자들 이 sp 2 화학결합을 한 벌집 모양으로 배열된 2차원 결 정이다. 실제 응용에서는 단층 그래핀 박막(monolayer graphene film), 박층 그래핀 박막(few layer graphene film) 또는 그래핀 플레이크(graphene flake)의 형태로 사용된다. 현재 그래핀 생성기술로는 그래핀 박막의 화 학기상증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD), 단 층·단결정 그래핀 박막의 에피택셜 성장법(Epitaxial growth), 그래핀 플레이크의 산화그래핀 환원법 등이 있 는데, 고품질화·양산화 기술 개발이 필요하다. 2009 년 국내 연구진에 의해 발표된 대면적 열CVD 법은 그 래핀 박막의 대량생산에 새로운 가능성을 열었다(K.S. Kim et al . Nature 457, 706-710, 2009). 그래핀 생 산기술 분야에서 우위에 서게 된 한국으로서는 부품소재 분야의 수입국에서 수출국으로 갈 수 있는 절호의 기회 를 잡았다고 할 수 있다. 2013년에는 Sony社 연구그룹에 의해 열 CVD를 이용한 Roll-to-Roll 생성이 실증됐다 (T. Kobayashi et al., Appl. Phys. Lett. 102, 023112, 2013). 또한, 그래핀 응용분야를 개척하기 위해서는 표면처리, 에칭, 패터닝, 도핑, 개면 및 에지의 화학적 개질 등 프로 세스 기술도 필요하다. 그외 전극과 접촉저항을 낮추는 기술, 각종 기반재료와 접착성을 향상시키는 기술, 그래 핀 보호막 개발 등 과제들이 남아 있다. 현재 다양한 응용 분야에서 프로세스기술 개발이 진행 중이다. 그러나, 지금까지 개발된 그래핀 합성 및 프로세스 기술은 주로 고열을 이용하는 열 프로세스(thermal process)와 화학약품을 이용하는 습식 프로세스(wet process)에 기반을 두고 있기 때문에 여러 한계점(고온 반응로 필요, 긴 프로세스 시간, 복잡한 공정, 불순물, 환 경문제 등)을 내포하고 있다. 가령 2009년에 발표된 대면 그래핀 산업화의 돌파구-플라즈마 김재호 │확대경│ <저자 약력> 김재호 박사는 2004년 동경대(University of Tokyo)에서 박사학위를 받고 Research Associate로 재직하였다. 2006년 산업 기술종합연구소 (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, AIST)으로 옮겨 현재 Senior Research Scientist로 재직 중이다. 그래핀 양산화를 위한 플라즈마기술 개발연구을 진행하고 있다.IEEE Nuclear and Plasma Science Society Japan Chapter의 Chair를 역임했고, IEEE, IEEJ, JSAP, MRS-J 학회 회원으로 활동하고 있다. (jaeho.kim@ aist.go.jp) 확대경 39 Vacuum Square
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│확대경│ 그래핀 산업화의 돌파구-플라즈마 · 그래핀 산업화의 현황 정부가 ‘꿈의 나노소재’로 불리는 그래핀의 핵심기술 개 발과
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그래핀 산업화의 현황
정부가 ‘꿈의 나노소재’로 불리는 그래핀의 핵심기술 개
발과 상용화를 통해 2025년까지 관련 산업에서 매출 19
조원, 약 5만 명의 고용창출을 달성하겠다는 목표를 내놨
다. (연합뉴스 2015년 4월 6일 보도 인용)
위 신문기사에서 알 수 있듯이, 그래핀 연구는 이제 기
초연구 단계를 넘어 산업화를 향해서 달려가는 단계에
들어섰다. 오랫동안 이론 연구의 대상이었던 그래핀은
2004년 영국 맨체스터 대학의 Geim과 Novoselov가 실
험실에서 스카치테이프를 이용하여 흑연으로부터 그래핀
을 박리하는데 성공한 후, ‘꿈의 소재’에서 ‘실현 가능한
21세기 산업의 핵심 기반소재’로 주목받게 됐다. 현재 많
은 연구자들이 그래핀 응용 연구와 산업화를 위한 기반기
술 개발을 진행하고 있으며, 세계 각국의 지적재산권 획
득경쟁이 치열한 상태이다.
산업화를 실현하기 위해서는 우수한 물성을 구현한 그
래핀 양산화기술 개발이 필수다. 그래핀은 탄소원자들
이 sp2 화학결합을 한 벌집 모양으로 배열된 2차원 결
정이다. 실제 응용에서는 단층 그래핀 박막(monolayer
graphene film), 박층 그래핀 박막(few layer graphene
film) 또는 그래핀 플레이크(graphene flake)의 형태로
사용된다. 현재 그래핀 생성기술로는 그래핀 박막의 화
학기상증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD), 단
층·단결정 그래핀 박막의 에피택셜 성장법(Epitaxial
growth), 그래핀 플레이크의 산화그래핀 환원법 등이 있
는데, 고품질화·양산화 기술 개발이 필요하다. 2009
년 국내 연구진에 의해 발표된 대면적 열CVD 법은 그
래핀 박막의 대량생산에 새로운 가능성을 열었다(K.S.
Kim et al. Nature 457, 706-710, 2009). 그래핀 생
산기술 분야에서 우위에 서게 된 한국으로서는 부품소재
분야의 수입국에서 수출국으로 갈 수 있는 절호의 기회
를 잡았다고 할 수 있다. 2013년에는 Sony社 연구그룹에
의해 열 CVD를 이용한 Roll-to-Roll 생성이 실증됐다
(T. Kobayashi et al., Appl. Phys. Lett. 102, 023112,
2013).
또한, 그래핀 응용분야를 개척하기 위해서는 표면처리,
에칭, 패터닝, 도핑, 개면 및 에지의 화학적 개질 등 프로
세스 기술도 필요하다. 그외 전극과 접촉저항을 낮추는
기술, 각종 기반재료와 접착성을 향상시키는 기술, 그래
핀 보호막 개발 등 과제들이 남아 있다. 현재 다양한 응용
분야에서 프로세스기술 개발이 진행 중이다.
그러나, 지금까지 개발된 그래핀 합성 및 프로세스
기술은 주로 고열을 이용하는 열 프로세스(thermal
process)와 화학약품을 이용하는 습식 프로세스(wet
process)에 기반을 두고 있기 때문에 여러 한계점(고온
반응로 필요, 긴 프로세스 시간, 복잡한 공정, 불순물, 환
경문제 등)을 내포하고 있다. 가령 2009년에 발표된 대면
그래핀 산업화의 돌파구-플라즈마김재호
│확대경│
<저자 약력>
김재호 박사는 2004년 동경대(University of Tokyo)에서 박사학위를 받고 Research Associate로 재직하였다. 2006년 산업
기술종합연구소 (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, AIST)으로 옮겨 현재 Senior Research
Scientist로 재직 중이다. 그래핀 양산화를 위한 플라즈마기술 개발연구을 진행하고 있다.IEEE Nuclear and Plasma
Science Society Japan Chapter의 Chair를 역임했고, IEEE, IEEJ, JSAP, MRS-J 학회 회원으로 활동하고 있다. (jaeho.kim@
aist.go.jp)
확대경
39Vacuum Square
Vacuum Square
진공 이야기 Vacuum Magazine │2017 06 June40
적 열 CVD법은 1,000℃ 이상의 고온 반응로를 이용하여
반응가스를 분해해 금속 촉매 기판 위에 그래핀을 생성시
키는 방법으로 양산화 생산장비 개발과 응용분야 개척에
불리하다. 이미 많은 논문에서 발표된 것 같이 재현성이
뛰어난 고품질 생성기술이 실현되고 다양한 응용연구에
서 차세대 소재로서 그 가능성을 인정받고 있지만, 그래
핀의 상용화가 늦어지고 있는 이유는 이러한 한계점들 때
문이다. 서두에 인용한 신문 기사는 이러한 배경 하에 발
표된 정부 정책이다. 관련 자료가 온라인 상에도 공개되
어 있다 (‘미래소재산업 선도국 실현을 위한 그래핀 사업
화 촉진 기술 로드맵’, 미래창조과학부·산업통상자원부,
2015).
그래핀 프로세스용 플라즈마 기술의 현황
최근 그래핀 연구 돌파구(Game-Chang ing
Breakthrough)로써 플라즈마를 이용한 저온 건식프로
세스(dry process) 기술에 대한 관심과 기대가 커지고
있다 (K. S. Novoselov et al. Nature 490, 192-200,
2013; I. Levchenko et al. Nanoscale 8, 10511-10527,