Win-Win Tech - 탄소나노소재 기반 고전도성 페이스트 기술
지난 수십 년 동안 우리 삶의 기반이 되고 있는 컴퓨터 및 디스플레이와 같은 다양한 전자기기 등은 실리콘 및 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 딱딱한 재료에 기반하고 있다.
또한 다가올 미래는 더 빠른 속도, 더 큰 저장용량, 더 작은 크기를 향해 나아가고 있다.
그러나 위와 같은 재료를 기반으로 하는 반도체 및 소자제작기술은 한계에 부딪히고 있으며, 언제 어디서나 인터넷에 접속해 정보를 교환하는 유비쿼터스 시대가 오면서 최근에는 전자기기의 패러다임이 휴대성을 높이는 방향으로 발전하고 있다.
현재 IT기술이 모든 생활을 지배하고 있으며, 시간이 지남에 따라 사용의 편리함 및 휴대의 간편함이 더 중요한 요소로 부각되고 있다.
위 요구는 인간 친화적인 특성을 갖는 플렉시블(Flexible) 또는 웨어러블(Wearable) 전자기기의 필요성을 불러일으키고 있다.
그러나, 딱딱한 재료를 기반으로 하는 전자기기의 특성은 구부림과 같은 외부의 힘이 작용할 경우 오작동을 일으킬 여지가 크다는 단점을 지니고 있기 때문에 물리적, 화학적, 전기적, 광학적 특성이 월등히 높고 물성이 변하지 않는 재료가 필요하다.
영화 ‘마이너리티 리포트’를 보면 주인공이 투명디스플레이를 이용하여 첨단 시스템인 ‘프리크라임’으로 미래에 일어날 범죄를 미리 보는 장면을 볼 수 있다.
또한, ‘스타트랙 다크니스’에서는 매우 얇은 우주복을 입고 우주선 사이를 이동하며 통신과 몸의 변화를 헤드기어로 모니터링해 주고 매우 뜨거운 용광로에서 몸을 보호할 수 있는 입는 컴퓨터(Wearable Computer)를 소개하고 있다.
이와 같이 영화에만 존재하는 꿈의 기술이 정말 가능할까? 그 해답은 다양한 전자기기의 기반이 되는 재료에 있다.
현존하는 재료나 기술로는 불가능하지만 그래핀, 탄소나노튜브(CNT)와 같은 탄소나노재료를 이용한다면 이를 구현할 수 있는 가능성이 충분히 있으며, 이를 위해 전 세계적으로 많은 과학자들의 연구가 진행되고 있다.
나노기술이란 말 그대로 크기의 과학이라고 할 수 있다.
나노는 머리카락 굵기의 10만분의 1 굵기를 갖는 원자 4개의 크기를 의미하는 용어이다.
그렇다면, 나노재료가 기반이 되는 전자기기를 구현하기 위해서 어떤 과학과 기술이 필요할까?
바로 인간이 조절할 수 있는, 즉 다양한 전자기기의 필요한 부분에 응용이 가능한 적재적소의 기술이 요구되고 있다.
이를 위해서 나노재료를 자유자재로 조절할 수 있는 기술이 수반되어야 한다.
단적인 예로서 20세기의 실리콘 기반기술은 실리콘에 도핑 및 구조를 제어함으로서 다양한 전자기기를 실현시켜왔다.
다가올 미래는 인간 친화적 플렉시블 스마트 전자기기를 구현하기 위한 필수 요소로서 탄소나노소재의 적절한 조절이 이슈화되고 있다.
필자는 다양한 기술 중 한국전기연구원 나노융합기술연구센터에서 개발한 탄소나노소재의 고농도 및 균일 분산을 통한 고전도성 잉크 및 페이스트 형성기술 두 가지를 소개하고자 한다.
이는 상업적으로 쉽게 접목이 가능한 습식공정 기반기술로서 차세대 유연 전기전자/에너지 소자 적용을 위한 인쇄전자공정과의 결합이 가능한 미래선도 기술이라 할 수 있다.
CNT, 그래핀 등의 탄소나노소재는 그 전도성(전기를 옮기는 성질)이 매우 우수하여 기존 금속 및 투명 금속산화물 계열의 세라믹 도전체를 대체할 수 있는 재료로 여겨져 왔다.
그러나 그동안 탄소나노소재를 고농도로 분산하기 위해서는 절연재료인 계면활성제를 사용하거나 표면에 기능기를 다수 도입하여야만 가능했다.
이럴 경우 탄소나노소재 자체의 높은 전도성이 손상되는 단점이 있어 이를 실용화하는데 큰 걸림돌이 되어왔다.
그 첫 번째 대안으로서 개발한 고농도 분산방법은 생체 물질인 단백질이나 DNA 나선구조에서 쉽게 찾아볼 수 있는 다중수소결합구조를 모방한 방법이다.
연구팀은 탄소나노소재의 손상을 최소화하고 4개의 수소결합이 동시에 이루어질 수 있는 기능기를 탄소나노튜브의 말단이나 그래핀의 모서리에 도입하여, 탄소나노소재 간 ‘반데르발스힘’(분자 내 강한 인력)에 의해 뭉치는 현상을 극복함으로써 유기용매 내에서 서로 엉겨 붙지 않고 안정적으로 분산이 가능하여 묽은 전도성 잉크뿐만 아니라 고농도의 전도성 페이스트 제조를 가능하게 했다.
단일 수소결합은 약하기 때문에 반데르발스힘을 이겨낼 수 없지만 3개 이상의 수소결합이 동시에 일어날 경우 반데르발스힘에 비해 매우 강해지기 때문에 가능한 현상이다.
현재까지 이러한 다중수소결합에 의한 자기조립체 연구는 주로 유기 저분자물질의 자기조립에 의한 거대분자화 및 신기능화에 초점이 맞추어져 있었다.
탄소나노소재가 생체물질의 초분자구조와 만남으로써 기존의 응용에 대한 한계를 훌쩍 뛰어넘는 신개념의 원천기술이 된 사례라 할 수 있다.
탄소나노소재기반 고전도성 페이스트 제조기술은, 기존에 분산의 어려움으로 탄소나노소재를 적용할 수 없었던 기술 분야에 적용이 가능하여 탄소나노소재의 제2의 붐을 일으킬 수 있는 획기적인 기술이라 할 수 있다.
특히 CNT소재를 이용한 고농도/고전도성 페이스트는 기술적으로 매우 어려워 그동안 많은 필요성에도 불구하고 개발의 어려움이 많았던 분야이다.
다중수소결합을 이용하는 분산방법은 탄소계 소재에 모두 적용할 수 있고, 고전도성을 유지하면서 다양한 이종소재와의 융합이 매우 용이하기 때문에 미래 유연기판에 적용이 가능한 인쇄용 전도성 페이스트, 고전도성 섬유제조용 페이스트, 미래형 신축전극, 에너지 소자용 인쇄전극, 에너지 저장소자용 전기화학적 촉매 등의 유연전극 응용뿐만 아니라 고 함량의 탄소나노소재를 함유하는 나노복합재료 등에 다각적으로 활용이 가능한 원천기술이다.
현재 본 기술은 원천특허와 응용특허가 국내 · 외에 출원되었고, 각 분야별로 상업적용을 위한 기술이전을 추진하고 있다.
두 번째 방법은 그래핀의 안정적 분산을 위해서 폴리머 계열의 계면활성제를 사용하지 않고 다양한 용매에 분산시켜 고농도화 시키는 기술이다.
그래핀은 크게 두 가지 방법으로 얻을 수 있는데, 첫 번째는 화학기상증착법(CVD)을 이용하고 금속촉매 하에서 약 1,000도 이상의 고온에서 한 층의 그래핀을 합성하는 방법이 가능하며, 두 번째는 흑연의 한 층이 그래핀이기 때문에 이를 화학적으로 분리하는 방법(박리 그래핀)이 가능하다.
CVD 합성 그래핀은 결정성이 매우 좋아 전기적 특성이 우수한 반면 실제 사용을 위해서는 금속촉매에서 유리나 플라스틱 기판으로의 면 대 면 전사(Face to Face Transfer)가 반드시 필요하다.
반면 화학적 박리 그래핀은 산용액 등을 이용하여 흑연 각각의 층을 팽창시키고, 이를 박리하는 방법으로 얻기 때문에 대량제조가 용이하지만, 산화에 의한 결합구조 변경(sp2→sp3)에 따라 그래핀 고유의 성질이 많이 손상되는 단점과 이를 극복하기 위한 별도의 환원과정을 거쳐야하는 단점이 있다.
그래핀 페이스트 기술은 근본적으로 화학적 박리기술로부터 출발하기 때문에 산화 단계에서 결함이 적고 넓은 면적을 갖는 산화그래핀을 얻는 것이 중요하다.
이때, 산화가 덜 진행된 저결함를 갖는 위와 같은 그래핀의 경우 탄소원자가 2차원 상에서 육각형 모양으로 형성되어 있는 sp2 영역(파이구조) 이 상대적으로 많이 드러나 있고 산소작용기의 상호작용이 적기 때문에 물과 같은 극성용매에 분산이 되지 않아서 대부분 뭉치는 현상이 발생한다.
이는 친수성을 지니는 분산용매에 소수성을 갖는 그래핀 사이의 반데르발스 힘으로 인한 인력이 작용하기 때문이다.
또한, 산소작용기의 형성을 늘릴 경우 용매 내 분산은 용이하지만 그래핀이 지니고 있는 고전도성을 저해시켜 그 특성을 유지할 수 없는 단점이 있다.
이와 같은 종래기술들의 문제점을 해결하기 위해서 본 연구팀은 그래핀의 sp2 영역 즉 파이구조 위에 Potassium(K+) 또는 Sodium(Na+)과 같은 양이온을 위치시킴으로서 상호작용을 유도시켰으며, 이를 통하여 고농도로 안정하게 분산된 그래핀 페이스트 및 잉크의 제조가 가능하였다(High performance transparent conductive films using rheologically derived reduced graphene oxide, ACS Nano, 2011, Highly concentrated and conductive reduced graphene oxide nanosheets by monovalent cation-pi interaction: Toward printed electronics, Advanced Functional Materials, 2012).
위와 같은 방법을 활용하면, 산화단계에서 비교적 적은 결함과 넓은 면적의 산화그래핀을 얻고, 이후 간단한 환원과정을 거친 후 전도성이 우수하고, 점도제어가 가능한 고농도의 페이스트가 얻어지며, 이는 인쇄전자공정에 직접 활용될 수 있다.
< 그림 2 >는 대면적/고품질 그래핀의 고농도 분산 및 이를 이용한 페이스트 대량제조기술로서 농도와 점도 조절이 용이하여 인쇄전자용 잉크로 직접 활용할 수 있어 향후 플렉시블 또는 웨어러블 일렉트로닉스의 구현을 위한 인쇄전자공정 기반 직접패터닝 소자전극분야에도 적용이 가능할 것으로 예상된다.
향후에는 기존의 포토리소그라피를 이용한 복잡한 패터닝기술에서 인쇄형 직접패터닝기술로 전환될 것이며, 유연기판 도입에 따른 공정온도의 제한이 발생하게 될 전망이다.
이러한 인쇄전자공정과 저온공정에 모두 대응하기 위해서는 탄소나노소재를 기반으로 하는 고전도성 페이스트 조성 기술이 필연적으로 요구될 것이다.
탄소나노소재 응용 관점에서 보면(< 그림 3 > 참고), 전기기능성 페이스트 조성 및 대량제조기술은 향후 ITO를 대체하는 탄소나노튜브/그래핀 혼성 투명전극, 플렉시블 디스플레이, 유연 태양전지 등 각종 유연전극, 유연 TFT(Thin Film Transistor), 유연 광/가스/바이오 센서, 에너지 소자전극 및 전자파 차폐필름, 자동차 열선유리 등에 쓸 수 있는 투명히터, 스마트 윈도우, 각종 센서 등에 다각적 활용이 가능할 것으로 기대된다.
이와 관련된 세계시장규모는 2018년 약 24조 원(Standard resources, NanoMarkets 2010), 국내시장규모는 2015년 약 4조 원에 달할 것으로 예상된다.