하나의 제철소에서 연간 발생하는 45만톤의 부산물, 콜 타르 피치(coal tar pitch)를 센 강도와 높은 열전도성으로 ‘꿈의 소재’로 각광을 받고 있는 그래핀으로 합성, 전자소자를 만들 수 있는 방법이 개발됐다.
1톤에 수십만원에 불과한 자원을 이용해 고부가가치 물질로 합성할 수 있는 이 기술은 부산물을 이용한 새로운 시장 개척은 물론 친환경적인 기술로도 반향을 얻을 것으로 기대된다.
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포스텍(총장 김도연) 신소재공학과 이태우 교수<사진>팀은 제철시 발생하는 콜 타르 피치를 원료로 전자소자 기판 위에 그래핀을 직접 합성할 수 있는 공정을 개발, 네이처가 발간하는 온라인 과학저널 <사이언티픽 리포트(Scientific Reports)>를 통해 발표했다.
이 기술은 대면적의 그래핀을 전자소자 기판 위에 원하는 곳에만 형성하는 기술로 대면적 대량생산에도 최적화되어 있을 뿐 아니라, 철강제품 제조공정에서 발생하는 부산물을 이용하기 때문에 친환경적이고 경제적이다.
그래핀 합성법 중 가장 널리 사용되는 화학 기상 증착법은 폭발성 기체를 사용할 뿐 아니라 그래핀을 대량 생산하기에는 공정이 복잡하며 전사 공정 과정에서 그래핀이 손상되거나 품질이 저하되는 단점이 있다. 연구팀은 이를 개선할 방법을 연구하던 중 고체 상태로 안정성이 높아 폭발의 위험이 없으면서도 저렴한 콜타르 피치를 그래핀을 합성하기 위한 탄소 원료로 주목하게 됐다. 이미 콜타르 피치를 이용한 다른 탄소물질 합성은 진행되고 있는 상태지만, 이를 이용한 그래핀 박막 제조는 아직까지 성공한 사례가 없었다.
연구팀은 용액공정을 통해 콜타르 피치의 박막을 형성하고, 패턴화된 그래핀을 직접 전자 소자 기판에 합성한 전자소자를 구현하는데 성공했다.
콜타르 피치는 통상 1톤당 약 40만원 정도에 거래되며, 4인치 기판 위에 그래핀을 합성하기 위해 필요한 콜타르 피치의 양은 고작 1g도 되지 않는다. 이는 현재 같은 크기의 그래핀이 시중에서 10만원 이상에 판매되는 점을 감안하면 엄청난 고부가가치 창출을 기대할 수 있다.
연구팀은 또, 저가로 대량생산의 가능성은 물론, 전자 소자 공정이 진행되는 가운데 품질 저하 없이 그래핀 합성이 가능한 새로운 개념의 공정도 동시에 제시했다.
특히 이 기술은 그래핀 관련 나노 전자공학 분야에서 세계적인 경쟁력을 확보한 국내 기술과 결합될 경우 큰 시너지 효과가 있을 것으로 전망된다.
연구를 주도한 이태우 포스텍 교수는 "폭발성 기체 원료 대신 저렴한 고체 산업 폐자원을 재활용해 만들어내는 이 기술은 전사과정이 없이 바로 전자소자에 대면적의 그래핀을 형성시킬 수 있는 간편한 공정으로 산업계의 주목을 받을 것"이라며 "2025년까지 매년 20조원을 창출하는 산업으로 성장이 예상되는 그래핀 산업에 기여할 중요한 원천기술 중 하나가 될 것"이라고 설명했다.
한편 이 연구는 미래창조과학부가 추진 중인 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스연구단’과 포스코의 지원으로 수행됐다.
최혜영 커뮤니케이터