▲ 그래핀위에서 스스로 정렬된 유기분자막으로 그래핀의 나노구멍을 막아줌으로써 물분자의 이동통로를 차단하는 것을 보여주는 모식도

국내 연구진이 그래핀 상용화에 걸림돌이었던 나노 구멍을 자기조립 현상으로 해결해, 그래핀의 투명성과 유연성을 유지하면서 가스차단을 향상시켜 차세대 디스플레이에 적용이 기대된다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 기능성복합소재연구센터 안석훈 박사 연구팀이 가천대학교 화학과 김명종 부교수, 한양대학교 화학과 강영종 교수와 공동으로 그래핀 고유특성을 유지하면서도 그래핀 박막의 나노구멍을 메우는 기술을 개발했다고 3일 밝혔다.

디스플레이에 쓰이는 발광 소재들은 공기 중의 산소 및 수분에 취약해 이를 차단하기 위한 가스 차단막이 필요하다. 기존에는 무기물 소재를 가스 차단막으로 이용했으나, 여러 번 접는 폴더블 디스플레이 및 스트레처블 디스플레이에는 휘어지고 늘어지는 물성을 가진 새로운 가스 차단막 소재 개발이 필요하다.

그래핀은 이러한 물성을 가지면서도 거의 모든 가스를 차단할 수 있는 이상적인 구조를 가진 탄소소재이나, 디스플레이 수준으로 크게 만드는 과정에서 생기는 수많은 나노구멍들에 의해 가스 차단성이 현저히 떨어지는 단점을 가지고 있어 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

연구팀은 그래핀을 대면적으로 합성하는 과정에서 발생하는 나노구멍이 가스차단 효과가 떨어지는 문제를 해결하기 위해 긴 체인구조를 가지는 유기물질들이 그래핀 표면위에서 스스로 정렬해 유기박막을 형성하는 자기조립 현상을 이용했다.

유기박막이 가스분자가 유입되는 이동통로인 그래핀의 나노구멍을 막아줌으로써 수분투과율을 기존 그래핀 가스차단막의 1/700 수준으로 낮췄다. 또한 유기박막의 두께를 나노미터 수준으로 제어함으로써 차세대 디스플레이 가스 차단막에 필요한 물성인 투명성과 유연성을 그래핀에서 유지할 수 있었다.

KIST 안석훈 박사는 “유기물의 자기조립 현상을 적용해 그래핀의 나노구멍을 메우는 기술은 그래핀의 투명하면서도 잘 휘어지는 고유특성을 유지하면서도 가스 차단성을 크게 높일 수 있어 차세대 가스차단막으로 그래핀의 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 기대했다.

한편, 본 연구는 과학기술정보통신부 KIST 기본사업 및 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 지원을 통해 수행됐으며, 연구 결과는 나노소재 분야의 국제학술지인 ‘Nano Letters’ (IF : 11.189, JCR 분야 상위 9.062%) 최신 호에 게재됐다.