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그래핀 활용 레고블럭처럼 조립···만능 전자소재 만든다

원자력연, 떼어 붙이는 복합산화물 박막 공정 기술 개발
국내외 연구진이 그래핀을 활용해 떼어 붙이며 레고블럭 조립하듯 전자기소재를 만들 수 있는 공정을 개발하는데 성공했다. 사진은 CFO와 PMN-PT 박막 결합 모습과 구조.<사진= 한국원자력연구원> 국내외 연구진이 그래핀을 활용해 떼어 붙이며 레고블럭 조립하듯 전자기소재를 만들 수 있는 공정을 개발하는데 성공했다. 사진은 CFO와 PMN-PT 박막 결합 모습과 구조.<사진= 한국원자력연구원>
그래핀을 활용해 떼어 붙이며 레고블럭 조립하듯 신소재를 만들 수 있는 공정이 개발되면서 웨어러블 전자기기 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다.

한국원자력연구원(원장 박원석)은 이준혁 신소재융합기술연구부 박사와 MIT(메사추세츠공과대학교)의 김지환 교수, 금현성 박사, 엄창범 위스콘신주립대 교수로 구성된 국제 공동연구팀이 단일 복합산화물 멤브레인(박막)을 떼었다 붙일 수 있는 새로운 공정을 개발하는데 성공했다고 13일 밝혔다.

복합산화물은 강한 자성, 강한 유전성, 초전도성, 압전성 등 특징이 있어 연료전지, 센서촉매 등에 활용되는 핵심소재, 멤브레인은 특정 성분을 선택적으로 통과시켜 혼합물을 분리하는 액체 또는 고체의 얇은 박막이다.

연구팀이 개발한 레고블럭처럼 조립할 수 있도록 한 공정 비법은 그래핀 사용으로 가능하다. 기존 복합산화물 박막은 기판에 고정돼 떼어내는 것이 불가능해 다른 종류의 박막과 결합이 어려웠다. 연구팀은 기판위에 그래핀을 부착하고 그 위에 복합산화물 박막을 합성, 테이프처럼 약 1cm² 크기의 박막을 기판에서 분리해 낼수 있었다.

이같은 방법으로 연구팀은 압전성을 갖는 납 마그네슘 니오베이트-납 티탄산염(PMN-PT)과 티탄산바륨(BaTiO₃), 유전체인 스트론튬타이타네이트(SrTiO₃), 자기변형성을 띠는 코발트산화철(CoFe₂O₄, CFO)과 티트륨철 가닛(YIG) 등 다양하게 '떼어 붙이는' 기능성 복합산화물 박막을 제작했다. 특히 연구팀은 PMN-PT 박막과 CFO 박막을 결합해 외부 자기장 유도시 기존보다 수백배 향상된 전압을 나타내는 소재를 개발했다.

연구팀에 의하면 기판에서 떼어낸 프리스탠딩(Freestanding) 상태의 박막은 유연성이 뛰어나 스마트폰, 모니터에 사용되는 플렉시블 디스플레이 뿐만 아니라 피부, 눈, 의류 등에 부착할 수 있는 웨어너블 전자기기 제작에도 응용될 수 있다. 또 박막별 다른 특성이 있어 반도체 공정에도 다양하게 활용 가능하다.

이준혁 박사는 "이번 연구로 모든 전자기적 특성을 가진 만능 신소재 탄생 길이 열렸다"며 "국제공동연구를 통해 떼어붙이는 공정을 발전시켜나가 점차 상용화될 플렉시블 전자기기에 광범위하게 활용될 수 있는 신소재를 개발해 나가겠다"고 말했다.

한편 연구결과는 국제학술지 Nature 최신호에 게재됐다.

연구에 참여한 국내외 공동연구진. 사진 위 왼쪽부터 시계방향 이준혁 원자력연 박사, 엄창범 위스콘신주립대 교수, 김지환 MIT 교수, 금현성 MIT 박사.<사진= 한국원자력연구원>연구에 참여한 국내외 공동연구진. 사진 위 왼쪽부터 시계방향 이준혁 원자력연 박사, 엄창범 위스콘신주립대 교수, 김지환 MIT 교수, 금현성 MIT 박사.<사진= 한국원자력연구원>

 
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