□ 미래창조과학부(장관 최문기)와 국제과학비즈니스벨트 핵심 기관인 IBS(원장 직무대행 신희섭, 기초과학연구원)는 나노물질 및 화학반응 연구단(단장 유룡)의 김상욱 그룹리더팀(KAIST 교수)이 특별한 장치 없이 용액 속에 녹아있는 그래핀과 나노입자들이 계면에서 스스로 조립되어 큰면적의 그래핀 필름을 형성하도록 유도하는 새로운 방법을 개발했다고 밝혔다.

o 이는 그래핀 용액을 혼합한 물에 물과 일부 섞일 수 있는 휘발성 유기용매를 소량 첨가하여 증발시키는 매우 간단한 방법으로, 흔히 와인잔에 나타나는 ‘와인의 눈물’로 알려진 마랑고니 효과와 자연대류 현상을 동시에 발생시켜 자동적으로 수 분 안에 수십 센티미터 이상의 투명한 전도성 나노 필름이 형성되게 한다.
* 10cm 지름 크기의 그래핀 필름 형성에 약 2분 소요

□ 이번 연구성과는 미국화학회가 발간하는 재료공학 분야 권위지인 ‘나노레터스(NANO LETTERS/ IF 13.025)’에 2월 13일자로 온라인 게재되었고, 3월호 저널(3.12 발간)에 실릴 예정이다.
* (논문제목) 계면 자기조립을 이용한 대면적 그래핀 필름의 고속 제조 (Two-Minute Assembly of Pristine Large-Area Graphene Based Films)
* (제1저자) IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 심종원 박사과정 연구원
* (공동교신저자) IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 김상욱 그룹리더, 성균관대학교 화학공학과 이기라 교수, 뉴욕대학교 물리학과 David J. Pine 교수

□ 이 성과는 저렴하게 제조할 수 있는 그래핀 나노 분산액을 이용하여 간단하게 높은 투명도를 갖는 나노두께의 대면적 그래핀 필름을 형성하는 저렴하고 에너지 친화적인 방법이다.

o 지금까지 개발된 그래핀 코팅이나 필름 제조 방법은 매우 복잡한 과정을 거쳐야하고 많은 시간이 소요되는 단점이 있었다. 고품질 그래핀은 200도에 가까운 고온이 아니면 증발되지 않는 극히 제한적인 유기용매에만 고농도로 분산되기 때문에 화학적기상증착법(CVD)에 의해 금속 위에서 그래핀 필름을 합성하거나, 산화그래핀(graphene oxide)을 제조한 뒤 수상에 고농도 분산하여 코팅 또는 필름을 제조하는 방법이 사용되었다.

o 반면, 신규로 개발한 그래핀 필름 제조법은 특별히 고가의 장치를 필요로 하지 않고, 제조한 그래핀 필름의 후처리 과정에서도 별도의 분리공정이나 환원공정을 거치지 않아도 되기 때문에 보다 간편하고 저렴하게 다양한 소재의 표면에 그래핀 필름을 위치시킬 수 있다는 장점을 지녔다.

o 또, 이 방법을 이용하면 기존에 나노두께의 필름 제조가 어려웠던 다양한 유기 무기 나노입자들의 단독 혹은 복합 필름 제조가 가능하고 필름 형성과정에서 그래핀에 금, 팔라듐 등의 금속 나노입자를 붙일 수 있기 때문에 다양한 특성을 갖는 나노박막의 제조 및 소재의 표면처리에 활용할 수 있다.

□ 이번 연구성과는 자연계에서 일어나는 유체현상을 이용하여 용액 중에 분산된 나노입자를 매우 짧은 시간 안에 스스로 필름의 형태로 성장시키는 제어기술의 새로운 지평을 열었으며, 앞으로 화학공학 분야와 소재 및 바이오 분야 발전에 중요한 기술적 기반을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.