- 유기물이 스스로 정렬하는 자기조립 현상 이용, 그래핀 나노 구멍 문제 해결

- 그래핀의 투명성과 유연성을 유지하면서 가스 차단 성능을 크게 향상시켜 폴더블·스트레처블 등 차세대 디스플레이에 적용 기대

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 탄소 소재이나, 디스플레이 수준으로 크게 만드는 과정에서 생기는 수많은 나노 구멍들에 의해 가스 차단성이 현저히 떨어지는 단점을 가지고 있어 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 기능성복합소재연구센터 안석훈 박사 연구팀이 가천대학교 화학과 김명종 부교수, 한양대학교 화학과 강영종 교수와 공동으로 자기조립 현상1)을 이용하여 그래핀의 고유특성을 유지하면서도 그래핀 박막의 나노 구멍을 메우는 기술을 개발했다고 밝혔다.

1)그래핀 표면 위에서 유기물이 스스로 정렬하는 현상

그래핀 위에서 스스로 정렬된 유기 분자막으로 그래핀의 나노 구멍을 막아줌으로써 물 분자의 이동통로를 차단하는 것을 보여주는 모식도

연구팀은 그래핀을 대면적으로 합성하는 과정에서 발생하는 나노 구멍으로 가스 차단 효과가 떨어지는 문제를 해결하기 위해 긴 체인 구조를 가지는 유기 물질들이 그래핀 표면 위에서 스스로 정렬하여 유기 박막을 형성하는 자기조립 현상을 이용하였다. 

유기 박막이 가스 분자가 유입되는 이동통로인 그래핀의 나노 구멍을 막아줌으로써 수분 투과율을 기존 그래핀 가스 차단막의 1/700 수준으로 낮추었다. 

또한 유기 박막의 두께를 나노미터 수준으로 제어함으로써 차세대 디스플레이 가스 차단막에 필요한 물성인 투명성과 유연성을 그래핀에서 유지할 수 있었다.

그래핀 3장이 적층된 가스 차단막 대비 그래핀 사이에 정렬된 유기물이 들어간 가스 차단막의 경우 수분 투과율이 1/700로 낮아져 기판 대비 99.9%의 수분 차단성을 보임(좌), 가스 차단성을 크게 향상시켰음에도 불구하고 그래핀의 고유 물성인 투명성과 유연성을 그대로 가지고 있는 그래핀/유기물 적층형 가스 차단막 사진(우)

KIST 안석훈 박사는 “본 연구를 통하여 개발된 유기물의 자기조립 현상을 적용하여 그래핀의 나노 구멍을 메우는 기술은 그래핀의 투명하면서도 잘 휘어지는 고유특성을 유지하면서도 가스 차단성을 크게 높일 수 있다”며, “차세대 가스 차단막으로 그래핀의 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 기대했다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) KIST 기본사업(책임자: KIST 김진상 전북분원장) 및 한국연구재단의 중견연구자지원사업(책임자: 가천대학교 화학과 김명종 부교수, 한양대학교 화학과 강영종 교수)의 지원을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 나노소재 분야의 국제학술지인 ‘Nano Letters’ (IF : 11.189, JCR 분야 상위 9.062%) 최신 호에 게재되었다.

* 논문명: Two-dimensional stacked composites of self-assembled alkane layers and graphene for transparent gas barrier films with low permeability

- (제1저자) 한국과학기술연구원 김윤정 학생연구원

- (교신저자) 한국과학기술연구원 안석훈 책임연구원

- (교신저자) 가천대학교 김명종 부교수

- (교신저자) 한양대학교 강영종 교수

< 연구진 소개 >

김윤정 학생연구원(제1저자)	○ 소속: 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 기능성복합소재연구센터 학생연구원 ○ 전화: 063-219-8157 ○ e-mail: yoon92@kist.re.kr
안석훈 박사(교신저자)	○ 소속: 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 기능성복합소재연구센터 책임연구원 ○ 전화: 063-219-8157, 010-4416-8291 ○ e-mail: ahn75@kist.re.kr
김명종 교수(교신저자)	○ 소속: 가천대학교 화학과 ○ 전화: 010-5483-1325 ○ e-mail: myungjongkim@gachon.ac.kr
강영종 교수(교신저자)	○ 소속: 한양대학교 화학과 ○ 전화: 02-2220-4556, 010-8896-7723 ○ e-mail: youngjkang@hanyang.ac.kr