그래핀의 꿈은 이뤄진다!
그래핀의 꿈은 이뤄진다!
  • 임성희 기자
  • 승인 2021.04.07 16:44
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그래핀의 꿈은 이뤄진다!

사진 임성희 기자
사진 임성희 기자

나노 신소재 그래핀이 세상에 알려진 건 2004년이다. 영국의 연구팀이 상온에서 투명테이프를 이용해 흑연에서 그래핀을 떼어 내는 데 성공했고, 이 공로로 이들은 2010년 노벨 물리학상을 받았다. 그 후로 수많은 연구가 이뤄지고 있지만, 아직 상용화 소식은 들리지 않고 있다. 국내 연구진이 그래핀 상용화에 선도적인 연구성과를 내며 많은 주목을 받고 있다. 그 주인공인 충남대 윤순길 교수는 곧 그래핀 상용화에 도달할 수 있을 것이라며 강한 자신감을 내비쳤다.

늦게 뛰어든 그래핀 연구, 성과는 Top
1983년 카이스트 석사과정 당시 CVD(chemical vapor deposition)를 연구한 윤순길 교수는 충남대 부임 이후 관련 연구를 지속해오다 2015년경 그래핀 연구를 시작했다. 2004년에 그래핀이 세상에 알려진 것에 비하면 조금은 늦은 시작이었다. CVD란 열, 전계, 빛 등의 외부 에너지를 사용하여 원료가스를 분해해 화학적 기상 반응으로 기판상에 박막을 형성시키는 기술로 플라스마 CVD가 공정 온도를 낮추기 위해 가장 많이 이용되고 있는 기술이다. “그래핀 관련 연구 시작이 늦긴 했지만 제가 CVD 기술을 많이 가지고 있다 보니 연구속도가 비교적 빠르게 진행됐습니다. 기존 그래핀 공정과 전사과정에서 그래핀의 장점들을 살리지 못해 상용화 성과가 없는 상황이었고, 저는 금속연구를 했었기 때문에 촉매금속으로 많이 쓰이던 카파, 니켈 대신 티타늄을 사용했습니다” 그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 실리콘보다 100배 이상 전자의 이동성이 빠르다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 최고의 열 전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열 전도성이 높다. 또한, 빛을 대부분 통과시키기 때문에 투명하며 신축성도 매우 뛰어나다. (출처-살아있는 과학 교과서) 그래서 그래핀을 활용한 전자제품에 대한 기대가 컸다. 특히 휘어지는 디스플레이에 대한 기대가 컸지만, 아직 그래핀을 활용한 전자제품이 출시됐다는 소식은 없다. 그 이유가 그래핀을 성장시키고 전사하는 과정에서 다양한 결함이 발생하면서 고품질 그래핀을 얻어 내는 데 어려움이 있기 때문이다. 카파, 니켈 같은 촉매금속을 이용하려면 1000도 이상의 고온에서 진행해야 하고, 거기서 얻은 그래핀을 기판에 옮기는 과정에서도 결함이 발생하는 등 이를 해소하기 위해선 공정의 혁신이 필요했다. 이에 윤순길 교수는 촉매금속으로 티타늄을 떠올렸고, 관련 주제로 2015년 도약연구과제에 선정돼 6년간 연구를 진행했다. 그 결과 저온 공정, 무 전사, 고 품질의 유연(flexible)한 그래핀을 4인치, 8인치 웨이퍼(wafer) 스케일로 만들어낼 수 있었다. “티타늄에 그래핀을 바로 성장시키니 녹여낼 필요도 없고, 티타늄이 공기 중에서 산화도 잘되어서 그래핀 특성에 영향을 미치지 않았습니다. 티타늄을 사용해 그래핀 공정과 전사를 완전히 바꿨죠. 그래서 국내 특허 3건, 미국특허 2건을 등록했고, 2019년 국일 그래핀㈜에 기술을 이전해서 대면적 상용화를 준비 중입니다” 윤순길 교수의 기술이 상용화된다면, 우리는 앞으로 디스플레이의 혁명을 목격할 수 있을 것이다.

 

저온 공정, 무 전사, 고 품질의 유연(flexible)한 그래핀을 개발해낸 윤순길 교수의 다음 목표는 그래핀 반도체다. 무 전사 그래핀 연구의 선도자로서 그래핀의 꿈을 실현해 가고 있는 그의 행보를 응원한다. 사진=임성희 기자
저온 공정, 무 전사, 고 품질의 유연(flexible)한 그래핀을 개발해낸 윤순길 교수의 다음 목표는 그래핀 반도체다. 무 전사 그래핀 연구의 선도자로서 그래핀의 꿈을 실현해 가고 있는 그의 행보를 응원한다. 사진=임성희 기자

디스플레이 혁명의 시작

그래핀은 세미금속으로 전도도가 좋다. 유연하면서 전도도까지 좋다면 금상첨화일 텐데, 그래서 많은 연구자가 그래핀을 활용한 투명전극 연구를 진행했다. 현재 ITO(전기 전도성을 가진 투명도전막)가 많은 전자제품에 사용되지만 아직 그래핀이 활용된 사례는 없다. 최근 윤순길 교수가 나노 분야 세계적 과학저널인 ‘Nano Today’에 ‘flexible 그래핀 전극’을 공개하며 많은 반향을 일으켰다. 물론 이미 우수한 그래핀을 만들어낼 수 있는 기술을 가지고 있었지만, 연구논문으로 발표되며 더 큰 공신력을 얻었다. “2019년 말에 산타클라라 전시회에 참여해 우리 그래핀을 선보였습니다. 그래핀을 대면적으로 하면 저항이 안 나오지만, 우리 기술은 훨씬 저항이 잘 나오니까 많은 주목을 받았습니다. 한 회사는 자동차 앞 유리 열선이나 헬리콥터 앞 유리 열선에 투명하면서 유연하고 전기도 통하는 우리 그래핀을 사용하고 싶어했습니다. 앞으로는 모든 전자제품이 그래핀을 사용하게 될 것입니다”라고 윤 교수는 강조했다. 덧붙여 그는 “한 층이 0.37나노지만 투명하고 전도성도 좋고 강철보다 강한 그래핀입니다. 강하면 깨지기 쉬운데 앞으로는 유연성(flexible)과 더불어 연신성(stretchable)까지 갖추게 될 것입니다. 현재 140%까지 늘어나는 연구를 했고 관련 논문이 어드밴스드 사이언스 (Advanced Science) 온라인으로 발표됐습니다”라며 한층 기대를 더 했다. 기자는 윤순길 교수 연구를 통해 그래핀을 활용한 디스플레이 혁명이 이뤄질 것으로 생각한다. 이미 4인치, 8인치까지 성공했고, 현재 기술이전을 통해 12인치 웨이퍼까지 진행하고 있다고 하니 대면적의 유연하고 늘어나는 디스플레이의 출현이 머지않은 것이다. 윤순길 교수는 그래핀 반도체 관련 후속연구계획도 밝혔다. “우리나라가 반도체 선진국이잖아요. 그래서 그래핀을 활용한 반도체를 만들어보고 싶어요. 세상에 안 되는 일이 없다는 생각으로 연구에 임하다 보니 반도체 특성을 나타내는 그래핀을 얻을 수 있었고, 국내 특허도 등록했습니다. 관련해서 도약연구 후속 과제로 선정돼 2024년까지 연구할 계획입니다”

윤순길 교수는 “저의 지도를 잘 따라와 주고 열심히 해주는 우리 학생들에게 고맙습니다. 학생들 덕에 현재의 성과가 있을 수 있었습니다. 앞으로 그래핀 관련 세상을 놀라게 할 연구로 우리 실험실 출신 학생들의 커리어가 인정받길 바랍니다”라고 밝혔다. 사진=임성희 기자
윤순길 교수는 “저의 지도를 잘 따라와 주고 열심히 해주는 우리 학생들에게 고맙습니다. 학생들 덕에 현재의 성과가 있을 수 있었습니다. 앞으로 그래핀 관련 세상을 놀라게 할 연구로 우리 실험실 출신 학생들의 커리어가 인정받길 바랍니다”라고 밝혔다. 사진=임성희 기자

“세상에 안 되는 일은 없다”
꿈의 나노 신소재 그래핀을 현실화에 가까이 놓은 장본인인 만큼 윤순길 교수의 열정은 대단했다. 그래서 그는 “세상에 안 되는 일은 없다”라는 신조를 강조했다. “노력해서 안 되는 일은 없다고 생각합니다. 제자들에게도 이 부분을 강조해요. 머리보다는 노력이 우선입니다. 그리고 제자들에게 항상 자신을 20% 부족한 사람이라고 생각하라고 이야기합니다. 나머지는 다른 사람이 채워줘야 한다고요. 그러려면 다른 사람과 잘 어울리고 친절해야 하며 배려심도 갖춰야 하죠” 인터뷰를 끝마치며 윤순길 교수는 “저희는 IF(impact factor) 10 이상 되는 논문을 많이 냈습니다. 마지막은 네이처나 사이언스에 논문을 내고 싶습니다. 그러면서 사업화도 추진하고 싶은 욕심이 있습니다. 저의 지도를 잘 따라와 주고 열심히 해주는 우리 학생들에게 고맙습니다. 학생들 덕에 현재의 성과가 있을 수 있었습니다. 앞으로 그래핀 관련 세상을 놀라게 할 연구로 우리 실험실 출신 학생들의 커리어가 인정받길 바랍니다”라고 밝혔다.
  윤순길 교수는 정년 이후에는 그동안 지속해서 교류해 온 베트남 하노이공대 출신 교수들과 같이 베트남 대학에서 연구하며 지내고 싶다고 밝혔다. 천상 연구자인 그는 교수부임 이후 오로지 연구와 교육에 매진하며 지내왔다. 그가 투자한 시간과 열정은 그에게 무 전사 그래핀 연구의 선도자라는 타이틀을 안겨줬다. 앞으로 윤순길 교수의 행보로 그래핀의 Dreams come true를 기대해본다.
[이슈메이커=임성희 기자]


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