한국전자통신연구원(ETRI)이 그래핀을 이용해 빛의 세기에 따라 투명도가 변하는 투명필름을 개발했다.
이 기술은 향후 레이저 보호장치, 스마트 광학센서, 인공지능(AI) 광소재 등 다양한 분야에서 활용될 전망이다.
대량생산 상용화 가능
그래핀은 강한 물리적 강도와 높은 전기 및 열 전도성, 광학적 특성을 지닌 2차원 소재로, 차세대 전자소재와 광소재로 주목받고 있다.
그러나 수 ㎚의 매우 얇은 평면 구조를 가져 고분자와 친화성이 낮고, 쉽게 엉겨 붙는 성질이 있어 산업적 활용이 어려웠다.
이를 해결하기 위해 고분자를 용매에 녹여 그래핀을 기계적으로 분산시키고 분산제를 첨가해 분산성을 유지하는 그래핀/고분자 복합소재 제조법이 있지만, 이는 용매가 증발한 후 그래핀이 다시 엉겨 붙어 분산성이 감소하는 문제가 있다.
ETRI 연구진은 새로운 그래핀 분산 광경화 콜로이드 조성물을 개발해 별도 분산제 없이도 그래핀이 고분자 내에서 안정적으로 균일하게 퍼질 수 있는 기술을 확보했다.
이를 활용하면 그래핀 분산필름 및 성형물을 간편하게 제조할 수 있고, 이 그래핀 분산 콜로이드 조성물은 매우 안정돼 그래핀 침전 없이 1년 이상 장기보관할 수 있다.
특히 자외선을 이용해 콜로이드 조성물을 단단한 필름으로 변환하는 방식을 적용, 그래핀 성질을 유지하면서도 가공이 쉬운 신소재를 만들었다.
이 기술을 활용하면 필름 제작에 콜로이드 조성물의 그래핀 분산용액이 고분자화됨으로써 필름을 형성, 그래핀 콜로이드 조성물 모두가 필름형성에 사용되므로 공해물질이 발생하지 않아 친환경적이다.
또 기존 금형으로 찍어내던 방식이나 고분자용액 형태의 필름제조 방식과 달리 그래핀 콜로이드 조성물의 자외선 경화로 만들기 때문에 연속공정이 가능하고 대량생산할 수 있어 상용화에 유리하다.
고성능 디스플레이·광학센서 적용
ETRI가 개발한 그래핀 분산 광경화 투명필름은 그래핀 특유의 광학 비선형성을 활용해 광학, 전자, AI 등 다양한 산업에 적용할 수 있다.
강한 빛을 감지하고 차단하는 기능은 눈이나 장비를 보호하기 위한 레이저센서 및 보호필름으로 활용 가능하다.
아울러 빛 세기를 조절하고 변화를 감지해 스마트 광학센서와 AI가 빛을 활용한 연산을 수행할 때 활용하는 AI 광학소재에도 적용할 수 있다.
또 투명하고 균일한 필름을 활용하면 고성능 디스플레이 및 광소자 개발에도 유리하다.
ETRI는 이번 성과를 바탕으로 그래핀의 다양한 물성을 활용해 더욱 정밀하고 효율적인 광소재 및 전자소재 개발을 위한 후속 연구를 지속할 계획이다. 더불어 기업과 협력해 상용화 연구 및 대량생산 시스템 적용방안도 검토 중이다.
신형철 ETRI 휴먼증강연구실장은 “이번 연구는 광 관련 부품과 AI 응용기술 분야에서 혁신인 소재로 자리 잡을 것”이라고 말했다.
