초록 ▼

※ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
합성과정 또는 공정 중에 발생하는 다양한 구조적/화학적 결함을 치유하여 그래핀 잉크, 복합소재용 그래핀등에 활용 가능한 우수한 품질의 그래핀 중간소재를 제공하는 것을 목표로 한다. 보다 효율적인 결함치유 공정을 탐색하기 위해 전산모사 기술을 기반으로 그래핀의 결함구조와 결함 치유에 최적인 전구체 후보물질을 발굴하고, 상온/상압 공정이며 고효율 공정인 플래시 어닐링 기술을 기반으로 결함치유된 그래핀 중간소재 및 저가고품질 그래핀 중간소재 대량생산 기술을 연구한다.
○ 전체 내용

※ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
합성과정 또는 공정 중에 발생하는 다양한 구조적/화학적 결함을 치유하여 그래핀 잉크, 복합소재용 그래핀등에 활용 가능한 우수한 품질의 그래핀 중간소재를 제공하는 것을 목표로 한다. 보다 효율적인 결함치유 공정을 탐색하기 위해 전산모사 기술을 기반으로 그래핀의 결함구조와 결함 치유에 최적인 전구체 후보물질을 발굴하고, 상온/상압 공정이며 고효율 공정인 플래시 어닐링 기술을 기반으로 결함치유된 그래핀 중간소재 및 저가고품질 그래핀 중간소재 대량생산 기술을 연구한다.
○ 전체 내용
1. 그래핀 품질 및 신뢰성 향상을 위한 결함치유 원리 규명
● 컴퓨터 모델링을 통해 다양한 그래핀의 결함모델 구현
● 그래핀의 결함별 적합한 전구체 후보물질을 선정 및 개발
2. 저가 고품질 그래핀 소재개발 구축
● 상온/상압에서 고효율 공정이 가능한 플래시 어닐링 기법을 활용하여 그래핀 소재의 결함을 치유할 수 있는 장비 시스템을 설계/ 구축
● 플래시 어닐링 기법을 이용하여 플레이크 기반 그래핀 필름/분말/용액의 화학적 결함을 치유하고 결함치유능을 평가.
● 그래핀/이종물질 결합 및 2세부에서 개발된 전구체 물질과 결함치유 공정을 이용하여 플레이크 기반 그래핀 필름/분말의 구조적 결함을 치유
● 결함치유된 그래핀 필름 개발을 위해 그래핀 필름/유연기판간 접합력을 높이는 방안을 제시한다.
● 2세부기관과 공동으로 미시적 결함이 거시적 특성 (전기전도도, 접착력 등)에 미치는 영향을 평가하고 그래핀 중간소재의 품질표준으로 활용한다.
○ 1단계(해당 시 작성)
● 목표
그래핀 품질 및 신뢰성 향상을 위한 물성제어 기술 및 결함치유 요소기술 개발
● 내용
-그래핀 화학적/구조적 결함 치유기술 (대면적 그래핀 표면저항 <200 Ω/□, 분말전기전도도 >1000 S/m, 전기적 특성 균일도 편차 ∓5%, 신뢰성 평가 전후 전기적 특성/분산성 변화량 ≦15%), 결함치유 그래핀 성능; 대면적 균일 그래핀 (Raman에서 ID/IG 0.2 이하), 분말 그래핀 (ID/IG 0.4 이하)
-신뢰성 향상을 위한 대면적 그래핀 물성제어기술 (그래핀 접합력≧300 mJ/m2, 신뢰성평가 전후 변화량 15%
- 응용제품으로 슈퍼캐패시터 전극소재 (출력 10kW/kg, 100000 cycle 안정성)제공
- 응용제품으로 그래핀 필러 기반 전도성방열필름 (필러의 열전도도 400 W/mK)
○ 2단계(해당 시 작성)
● 목표
결함치유 공정 최적화 및 그래핀 고유 응용기술 개발
● 내용
- 대면적 균일 그래핀 품질 및 신뢰성 향상을 위한 물성제어 기술 최적화 및 신뢰성 평가 시스템 구축; 그래핀 라이브러리 구축
- 그래핀 화학적/구조적 결함 치유기술 최적화 (대면적 균일 그래핀 표면 저항 ≦ 150 Ω/□ 분말전기전도도 ≧1500 S/m, 전기적 특성 균일도 편차 +/- 3.5%, 신뢰성평가 전후 전기적 특성/분산성 변화량 ≦ 10%)
- 대면적 그래핀 결함 치유 공정 개발 (Raman Id/IG 0.1)
- 그래핀 고유 응용 분야 및 제품 개발

※ 연구개발성과
기술이전 2건, 인력양성 (박사 3명, 석사 6명), SCI 저널 논문 18편 , 특허 12건

※ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
플래시광 조사 기법을 이용하여 저비용의 고속 공정으로 그래핀의 화학적, 구조적인 결함을 치유하는 기술 개발을 통해 그래핀의 특성을 획기적으로 향상시키고, 이를 통해 다양한 응용분야에서 그래핀 응용제품 상용화를 가능하게 하는 기반 기술로 활용하며 그래핀 고유의 응용분야를 확장하여 그래핀 산업화를 촉진할 예정임.

○ 본 과제기술이 개발되면 전기적, 기계적, 열적 특성이 우수한 그래핀 분말 및 필름을 매우 빠른 시간에 제조하는 것이 가능할 것으로 예상되며, 이를 통해 다양한 응용분야에 활용될 수 있을 것으로 기대됨.

○ 결함이 치유된 그래핀의 응용분야로는 저저항, 고전도도 특성이 요구되는 그래핀 전극 및 에너지 저장/변환 소자, 높은 기계적 강도가 요구되는 구조용 복합체, 높은 열전기전도도가 요구되는 방열필름등으로 다양한 분야로 응용분야를 확대할 계획임.

□ 에너지저장 (energy storage) 분야:
● 수퍼커패시터(supercapacitor), 하이브리드 커패시터 (hybrid capacitor), 리튬이온전지 (Li ion battery)등 다양한 에너지저장장치의 전극 소재로 활용이 가능하며, 특히 플래시램프를 이용하여 3차원 구조를 가지는 그래핀 패턴을 대면적으로 제조하는 기술을 이용하여 유연한 마이크로-수퍼커패시터 (flexible micro-supercapacitor)를 제조하는 기술로 활용할 수 있을 것으로 기대됨.

□ 유연 전자소자 (flexible electronics) 분야:
● 플래시램프를 이용하여 내부결함구조를 최소화한 우수한 전기적 특성을 가지는 그래핀을 플라스틱 기판위에 직접 형성하는 기술을 개발함으로써 그래핀 기반의 유연한 전계 효과 트랜지스터(flexible FETs)의 전극 소재로 활용이 가능할 것으로 예상됨.
● 특히 플라스틱 기판위에 고품위 그래핀을 직접 형성하는 동시에 패터닝하는 기술을 활용하여 대면적의 그래핀 패턴을 매우 빠르게 제조하는 기술이 개발되면, 유연 전자소자를 롤투롤 공정방식으로 대량 제조할 수 있는 상용화 기술을 확보할 수 있을 것으로 기대됨.

□ 열관리소자 (thermal management device)
● thermal camouflage 소자로 적용되어 국방용 소재, 암호 및 위변조 방지 소자 등으로 활용
● 능동적 열관리 소재로 적용되어 해수 담수화 및 기타 에너지 소재로 활용

□ 바이오 소재 응용
● 단백질 등 바이오 소재의 결정화 촉진 (희귀질환 관련 단백질 결정화 과제로 spin off)
● 바이오 소재의 초정밀/다기능 이미징용 기판으로 활용

기대효과

그래핀 결함 치유 기술은 그래핀의 특성을 획기적으로 향상시켜 응용제품의 요구물성을 충족시킬 수 있는 장점이 있어, 인쇄전자 소자를 비롯하여 에너지저장/변환 소자, 전자파 차폐, 방열 소자 등 다양한 응용 분야에서 그래핀 기반 소자를 구현할 수 있는 핵심 기술이 될 것으로 기대됨.

● 특히 플래시광 조사 기반의 그래핀 결함 치유 기술은 기존에 보고된 바 없는 새로운 개념의 기술로 매우 빠른 공정시간에 그래핀의 결함을 치유하는 원천기술로 이 기술이 개발된다면 그래핀 응용분야의 세계적 기술적 우위를 선점할 수 있을 것으로 기대됨.

결함이 치유된 고품질의 그래핀을 제조하는 기술 확보를 통해 기초, 응용 연구단계를 넘어서서 그래핀의 상업화를 촉진하는 기반 기술이 될 것으로 기대됨.

● 디스플레이, 에너지, 복합소재 분야 등에 다양한 응용성 및 높은 미래 가치를 지닌 그래핀 소재를 조기 대량 양산 체제와 상용화함으로써 글로벌 그래핀 시장을 선점할 수 있음.

● 또한 그래핀의 고품위화의 정도에 따라 단계적인 상업화가 가능해 연구개발에 따른 그래핀 상용화를 앞당길 수 있으므로 고품위 그래핀 합성 기술의 완성은 그 중요성이 더욱 크다 할 수 있음.

● 고품질 그래핀 생산 원천기술 및 상용화기술의 연구기반 확보하고 통합연구를 통해 향후 미래첨단 소재개발에 필요한 첨단장비 및 전문인력 확보 효과를 유발할 수 있음.

● 이는 결국 우리나라가 기존에 해외의존형이었던 첨단소재 분야에서 소재강국으로 도약하기 위한 발판을 마련하는 계기가 될 수 있음.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 5
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 10
• 1) 대면적 균일 그래핀 품질 및 신뢰성 향상을 위한 물성제어 기술 최적화 ... 10
• 2) 그래핀 고유특성을 이용한 응용제품 개발 ... 13
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 37
• 1) 연구수행 결과 ... 37
• 2) 목표 달성 수준 ... 84
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 85
• 1) 목표 미달 원인(사유) 자체분석 내용 ... 85
• 2) 자체 보완활동 ... 85
• 3) 연구개발 과정의 성실성 ... 85
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 86
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 88
• 끝페이지 ... 90