Separation of graphene using salting-out process and application for transparent conductive film

Abstract

액체결정장치(LCD), 터치 스크린, 유기발광다이오드(OLED), 태양전지. 센서 등은 현재 기술발전의 대표적 대명사로 인식되며 그 이용이 현재의 기술사회에 필수적이기에 그 수요가 해가 갈수록 급증하고 있다. 이들의 공통점 중 하나는 제작에 투명전도막이 사용된다는 것으로 투명전도막은 앞에서 언급된 기기들의 수요 증가로 인해서 유망한 사업으로 인식되며 그 시장 크기가 전년도에 비해서 수 배씩 증가하는 추세이다. 실제로, 이는 현재 성장사업중 가장 빠르게 크고 있는 사업 중 하나이다. 현재 투명전도막의 원재료로 이용되는 재료는 산화인듐(ITO)로 투명전도막의 성장에 힙입어 ITO의 시장가치는 2010년 30조 $를 기록했으며 5년 내 20% 이상의 성장을 기록할 것으로 예측된다. ITO는 투명전도막에 이용되기 50년전부터 학계에서 연구돼오던 재료로써 그 동안 발견된 우수한 특성은 성장원동력이 되어주었다. 하지만 현재의 투명전도막 시장을 지탱하는 ITO는 우수한 특성뿐만 아니라 가격 상승과 약한 기계적 특성이라는 치명적인 단점이 존재한다. ITO는 인듐을 기반으로 만들어진 산화물로 현재 인듐 매장량은 그리 많지않다. 하지만 투명전도막의 시장 성장은 ITO의 수요를 폭발적으로 팽창하게 만들었으며 그 결과로 현재 ITO의 가격은 지난 10년동안 9배 이상 상승하였다. 또한, ITO로 만들어진 투명전도막은 반복적인 굽힘 및 장력이 가해지면 마이크로 단위의 금이 생긴다. 이런 단점으로 인해서 현재 투명전도막 시장은 ITO를 대체하여 시장을 지배할 저렴한 가격, 우수한 전도도 및 투명성을 가진 재료를 연구 중이다. 그래핀은 투명전도막 시장에서 ITO를 대체할 것으로 생각되는 유망한 재료 중 하나이다. 이 이차원소재는 6개의 탄소 원자가 모인 탄소육각형이 일렬로 배열되어있는 형태로 현재의 CNT, 풀러렌과는 다른 새로운 탄소소재이다. 이 특수한 모양에 기인해 그래핀은 높은 세로 탄성계수(~1000 GPa), 강도 (~125 GPa) 특히 높은 전자전도도 (2 x 105 cm2 V-1 s-1)를 지녀 ITO를 대체할 차세대 재료로 주목 받고 있다 그래핀을 만드는 방법으로는 다양한 방법이 있으나 개중 가장 산업적 대량생산에 걸맞는 방법은 산화그래핀(GO)의 환원으로 이는 그래핀의 특성은 조금 낮아지지만 대량생산에 매우 유용하다는 장점이 있다. 하지만 산화그래핀의 환원으로 만들어진 그래핀을 투명전도막의 제조에 이용할 시 그래핀 조각들간의 접촉저항은 투명전도막의 효율을 낮추는 주요 원인이다. 이를 줄이기 위해서 크기가 상대적으로 큰 그래핀 조각을 사용함으로써 접촉저항을 줄이는 방법이 있다. 이 논문에서는 다른 크기를 가진 산화그래핀을 얻기 위해서 염석법을 적용하였다. 염석법은 단백질이 분산되어있는 용액에 잘 녹는 염을 더해주어 용액을 포화상태로 만들어 무게가 무거운 단백질을 분산하는 방법으로 이 실험에서는 산화그래핀을 분리하기 위해 적용되었다. 산화그래핀이 분산된 수용액에 물에서 이온화도가 좋은 염화암모늄을 연속적으로 투입함으로써 산화 그래핀은 10μm에서 1μm까지 크기 별로 분리되는 것을 확인하였다. 상대적으로 큰 그래핀 조각을 이용할수록 접촉저항을 줄일 수 있기에 염석법으로 분리된 산화 그래핀은 크기 별로 스핀코팅을 이용하여 투명전도막으로 제작되었으며 진공상태의 1000℃에서 환원되었다. 이때 환원된 산화그래핀 투명전도막은 10μm으로 제작된 그래핀 투명전도막이 1μm으로 제작된 그래핀 투명전도막보다 약 8배의 전도도 증가를 확인하였으며 이때의 투명도는 550nm에서 70%인 것을 확인할 수 있었다.