초록 ▼

※ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
합성 또는 공정과정에서 발생하는 그래핀의 다양한 결함을 원인별로 분석하고 결함 별 치유방법을 미시적 영역에서 탐색하여 분말 또는 필름 형태의 그래핀에 적용함으로서 전기적, 기계적, 열전도성능 등 특성이 향상된 그래핀 중간소재를 개발하는 것을 본 과제의 목적으로 한다. 또한, 그래핀 결함의 미시적 분석결과와 표준화된 특성평가 방법으로 측정된 특성 (전기적 특성)을 연계하여 그래핀 중간소재의 품질기준을 확립하고 신뢰성을 확보한다.
○ 전체 내용
1. 저가 고품질 그래핀 소재

※ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
합성 또는 공정과정에서 발생하는 그래핀의 다양한 결함을 원인별로 분석하고 결함 별 치유방법을 미시적 영역에서 탐색하여 분말 또는 필름 형태의 그래핀에 적용함으로서 전기적, 기계적, 열전도성능 등 특성이 향상된 그래핀 중간소재를 개발하는 것을 본 과제의 목적으로 한다. 또한, 그래핀 결함의 미시적 분석결과와 표준화된 특성평가 방법으로 측정된 특성 (전기적 특성)을 연계하여 그래핀 중간소재의 품질기준을 확립하고 신뢰성을 확보한다.
○ 전체 내용
1. 저가 고품질 그래핀 소재개발 구축
- 상온/상압에서 고효율 공정이 가능한 플래시 어닐링 기법을 활용하여 그래핀 소재의 결함을 치유할 수 있는 스케일업 공정 개발.
- 플래시 어닐링 기법을 이용하여 결함 치유된 산화그래핀 기반 그래핀 필름/분말의 응용성을 탐색하는 한편, 응용목적에 따른 성능목표를 달성.
- 플래시 어닐링기법을 대면적 (CVD) 그래핀에 적용하여 결함을 치유할 수 있는 공정을 개발하고 성능을 평가.
- 고유의 특성을 활용하는 응용분야로 결정성장용/이미징용 기판을 개발하고 그래핀 기반의 적외선 소자 응용을 탐색한다.

2. 그래핀 결함 분석기술 개발 및 체계화
- 마이크로 영역/미세영역 연계를 통한 그래핀의 결함 분석 및 정량화
- 전기적/구조적/기계적 물성에 대한 신뢰성 있는 측정·분석 기술 확립 및 규격화
- 그래핀/이종물질 성장최적화/응용 및 결합에 대한 결함의 역할 및 접합이론 연구
- 그래핀 계면 및 표면 특성과 시간에 따른 물성 측정법 체계화
- 그래핀 합성 및 결함모델 분석 체계화
- 그래핀의 화학적/구조적 결함 치유 기술 최적화 및 조건 탐색 규격화
- 결함치유 후 주요 전기적/구조적/기계적 물성의 측정 기술 규격화
- 그래핀의 결합구조와 물성과의 상관관계 도출을 통한 그래핀 필름의 검증력 있는 데이터베이스 구축
○ 1단계(해당 시 작성)
● 목표
그래핀 품질 및 신뢰성 향상을 위한 물성제어 기술 및 결함치유 요소기술 개발, 마이크로 영역/미세영역 연계를 통한 그래핀의 결함 분석 및 정량화
● 내용
-그래핀 화학적/구조적 결함 치유기술 (대면적 그래핀 표면저항<200 Ω/□, 분말전기전도도 >1000 S/m, 전기적 특성 균일도 편차∓5%, 신뢰성평가 전후 전기적 특성/분산성 변화량 ≦15%), 결함 치유 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
그래핀의 결함에 대한 미시적/거시적 이해를 통해 그래핀의 결함을 치유하고 특성을 제어하여 그래핀 소재의 신뢰성과 우수성을 확보하는 한편, 그래핀 고유의 응용분야를 발굴한다
● 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 표면저항 ≦ 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
(1) 슈퍼캐패시터
(2) 그래핀 마이크로스코피 기판

※ 연구개발성과
● 국내외 논문 게재: SCIE 48편
● 인력 양성 성과: 석사 13명, 박사 9명 (총 22명)
● 인력 양성 과정: 석사 3명, 박사 9명 (총 12명)
● 특허출원 국내: 31편, 국외: 3편 / 특허등록 국내: 13편

※ 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)등다양한 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 전자 소자를 roll to roll 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

□ 그래핀 결함 분석 및 데이터베이스 구축
● 크기, 두께, 비표면적 같은 수치적 물성에서 결함의 정도, 전도도, 열전도도 등의 맞춤형 그래핀 제조 및 신뢰성 모델 제시
● 결함 분석 및 결함치유 공정기술을 통해 그래핀 필름 대량생산기술에 피드백 되어 roll to roll 및 연속공정기반(Fluidized Bed)에서 고품질 맞춤형 그래핀을 생산하는 기술로 응용 가능함
● 결함 치유 기술인 플라즈마, 유기전구체를 이용한 전기폭발법은 양산 적용 가능 기술로 필름 형태에서 파우더 형태까지 적용성을 통해 응용사업군 도출됨
● 결함, 산화도 등이 제어된 그래핀 플레이크는 전도성, 열전도성, 신뢰성 등이 표준화된 맞춤형 그래핀으로 슈퍼커패시터, 전자파 차폐, 방열소재, 이종(바이오)소재의 결정성장 기판 등으로 활용되어 전기·전자 및 의·생물 연구와 산업분야에 기여할 것임
● 그래핀의 결함 분석 및 결합력 측정하는 시스템 구축 결과는 제품의 품질관리 (Quality Control)로 산업체에서 활용될 것으로 기대됨

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 11
• 2.1 대면적 균일 그래핀 품질 및 신뢰성 향상을 위한 물성제어 기술 최적화 ... 12
• 2.2 그래핀 결함의 미시적/거시적 분석기술 개발 및 체계화 ... 15
• 2.3 그래핀 결함의 치유기술 개발 및 체계화 ... 23
• 2.4 그래핀 품질 및 신뢰성 향상을 위한 물성 제어 기술 최적화 ... 25
• 2.5 그래핀 고유특성을 이용한 응용제품 개발 ... 28
• 2.6 결함치유 후 전기적/구조적/기계적 물성 측정 기술 규격화 ... 50
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 51
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 112
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 113
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 116
• 끝페이지 ... 118