그래핀 결함 수정해 고성능 플렉서블 투명 히터 개발

[산업일보]
최근 몇 년간 그래핀을 기반으로 한 투명 전극 분야가 차세대 투명전극 분야의 핵심 기술로 떠오르고 있다. 특히 화학기상증착법을 이용할 경우, 대면적의 휘어지는 투명 전극을 구현할 수 있어 기존의 투명 전극 시장을 대체할 수 있는 미래 핵심 기술의 하나로 주목 받고 있다.

그래핀을 기반으로 한 투명 전극은 우수한 전기 전도도 및 휘어짐 특성을 가지지만 성장 기법에서 기인하는 그래핀 내 다양한 결함으로 전기 전도도의 저하가 일어날 수 있다는 단점을 가진다.

이는 화학기상증착법으로 성장시킨 그래핀이 다결정구조로 성장해 결정립계와 같은 결함을 가지고 있기 때문인데 결정립계 외에도 주름, 크랙 등의 다양한 결함이 존재할 경우 그래핀의 전기전도도가 감소하게 되어 이를 해결하기 위한 노력이 필요하다.

이번 연구에서는 그래핀 내 존재하는 결정립계, 주름, 크랙 등과 같은 다양한 결함을 치유하기 위해 액상기법에 기반한 갈바닉 치환 반응을 이용한다.

화학기상증착법으로 성장시킨 그래핀 위에 존재하는 다양한 결함 위에 금속 나노파티클을 선택적으로 증착시키는 기술을 통해 그래핀의 전기 전도도를 향상시키고, 전기전도도가 향상된 그래핀을 기반으로 우수한 성능의 플렉서블 투명 히터를 제작함으로써 기존 기술의 한계를 극복하는데 중요한 기술적 토대를 마련했다.

이번 연구에서는 화학기상증착법을 기반으로 성장시킨 그래핀의 다양한 결함을 빠르고 효과적으로 치유하기 위해 갈바닉 치환 반응을 이용했다. 갈바닉 치환 반응은 금속염이 포함되어 있는 용액에 그래핀이 성장된 구리 호일을 담가 구리와 금속염 사이의 갈바닉 이온 교환 반응을 통해 그래핀 위 금속의 결정생성을 유도하는 원리를 기반으로 한다.

그래핀의 다양한 결함 위에 금속 파티클을 증착해 그래핀의 전기전도도를 향상시키고, 그래핀의 다양한 결함을 가시화했다. 금속 파티클의 선택적 증착을 통해 그래핀의 투명도를 크게 해치지 않으면서도 우수한 전기 전도도 향상을 보이기 때문에 그래핀 투명 히터를 포함한 투명 전극 분야에 널리 이용될 수 있다.

이번 연구에서 제작한 그래핀 플렉서블 투명 히터의 경우, 간단한 용액 기반의 갈바닉 치환 반응을 통해 빠르게 제작이 가능하며, 향상된 전기 전도도를 기반으로 우수한 투명 히터 성능을 보유하고 있다.

이번 기술개발을 통해 고성능의 그래핀 플렉서블 투명 히터를 제작하고, 이를 김서림 및 성에 방지에 쉽게 적용할 수 있어 투명 전극 분야의 발전에 공헌할 수 있다.

추후 대면적으로 제작된 플랙서블 투명 히터를 다양한 온열 요법이 필요한 자동차, 주택 창문 등의 다양한 분야에 널리 사용될 수 있을 것으로 기대된다.