그래핀을 주름지게 만드는 원리는?

주름 구조를 통해 신축성, 광투과도, 습윤성 등 향상

KRISS, 수용성 필름층을 첨가해 기존 주름 그래핀 제작 방식을 보완

[위즈덤 아고라 / 김현동 기자] 그래핀이란 탄소 동소체 중 하나로, 탄소 원자들이 육각형의 모양으로 연결되어 2차원 평면 구조를 이룬다. 그래핀은 전기 및 열 전도율이 높으며 내구성 역시 뛰어나 많은 주목을 받고 있는 신소재이다. 

연구진들은 그래핀의 활용성을 극대화하기 위해 그래핀에 주름 구조를 적용하기 시작했다. 주름구조는 신축성을 향상시키며 단위 부피당 표면적을 늘린다. 거기다 광투과도, 습윤성, 전기·화학적 반응성의 제어까지 가능해져 그래핀을 다양한 응용산업 분야에 활용할 수 있게 된다. 

현재 주름 그래핀의 제조 방법은 열가소성 필름 혹은 탄성 변형성이 큰 탄성고무를 기판으로 사용하는 것이다. 기판 늘린 뒤 그 위에 그래핀을 설치한 뒤 원상태의 크기로 복구 시키면 주름이 생긴다. 

그러나 이 방법은 그래핀과 기판을 분리하는 것이 불가능하다는 문제점이 있다. 과학자들은 이 문제를 해결하기 위해 유독성 화학 용재로 기판을 녹이려고 시도했지만 탄성고무는 녹지가 않으며 열가소성 필름은 센티미터 수준의 크기여도 녹이는데 이틀 이상 소요된다. 또한 녹이는 과정에서 오염물질이 남고 그래핀의 구조 역시 손상돼 실용화하기가 어렵다. 

주름 그래핀 제작 방식의 단점을 보완하고자 한국표준과학연구원(KRISS)은 2022년 7월 26일, 그래핀의 손상을 최소화시키면서 제조 기판을 쉽게 분리하는 기술 개발을 발표했다. 이 기술은 주름 그래핀과 기판 사이에 물에 쉽게 녹는 수용성 필름층을 삽입하는 것이다. 

수용성 필름이 그래핀과 제조 기판과의 접착력을 향상해 주름 구조를 균일하게 제어하기 쉬워진다. 그리고 물만으로 제조 기판을 제거해 친환경적이고 오염 물질 역시 없기 때문에 그래핀이 손상되는 일이 없다. 여기에 더해 기존 그래핀 제조는 탄성 변형성이 큰 소재를 사용해야 됐지만 수용성 필름 덕분에 페트(PET)와 같이 탄성 변형성이 비교적 낮은 소재에도 적용이 가능하다.

주름 그래핀은 플렉서블 투명전극을 필요로 하는 스마트폰 및 웨어러블 기기, 높은 전기·화학적 반응성과 효율이 요구되는 각종 센서와 필터, 에너지 저장 소자, 태양전지 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.