그래핀을 투명 전도 전극(TCE)으로 활용하는 데는 단결정 그래핀의 높은 비용이나 다결정 그래핀의 투명도-시트 저항 상충 문제가 걸림돌이었습니다. 본 연구에서는 적외선(IR) 레이저 테일러링으로 다층 그래핀 필름 그리드(MGFG)를 제작하여 투명도를 크게 높이면서 낮은 시트 저항을 유지하는 방법을 제안합니다. 그리드 패턴 조절을 통해 MGFG의 투명도를 200배 향상시키면서 시트 저항을 340 Ω/□ 수준으로 유지할 수 있었고, 이에 따라 품질 인자(FoM)가 0.1에서 3.6으로 증가했습니다. 제작된 MGFG는 제어 가능한 국소 열장 생성과 효율적인 김서림 방지 기능을 시연했습니다. 이 레이저 그리드 테일러링 전략은 그래핀의 투명 전극 산업 적용을 크게 앞당길 것입니다.
그래핀은 뛰어난 전기적·광학적 특성 덕분에 투명 전도 전극(TCE) 후보로 각광받아 왔습니다. 화학기상증착(CVD)법으로 금속 기판 위에 성장시킨 대면적 단결정 그래핀은 ~97% 투과율과 <100 Ω/□ 전도도를 보이지만, 느린 성장 속도와 전사 공정으로 인한 높은 생산 비용이 산업 적용을 가로막습니다. 생산 비용 절감을 위해 상용 유리 위에 직접 다결정 그래핀을 성장시키는 연구가 활발히 진행되어 전기열 소자, 세포 배양, 스마트 윈도우, 터치 패널 등에 적용이 시도되었습니다. 성장 속도는 크게 개선되었으나, 다결정 그래핀의 전도도는 단결정보다 크게 떨어집니다. ~95% 투과율 필름의 시트 저항이 6.1 kΩ/□에 달하는 반면, 시트 저항을 0.5 kΩ/□ 이하로 낮추려면 두께 증가로 투과율이 50% 미만으로 떨어지는 상충 관계가 존재합니다. 따라서 그래핀 필름의 시트 저항과 투과율 간 균형을 맞추는 것이 여전히 큰 과제입니다.
본 연구에서는 다층 그래핀 필름(MGF)을 IR 레이저로 부분 제거하여 그리드 패턴을 형성함으로써 높은 투명도와 양호한 전도도를 동시에 구현하는 레이저 테일러링 경로를 제안합니다. 레이저 테일러링으로 필름 투과율을 0.38%에서 75%로 크게 높이면서 시트 저항을 350 Ω/□ 수준으로 유지할 수 있었습니다. 5 cm × 5 cm 크기 박막 테일러링이 1분 내에 완료될 정도로 공정이 빨라 대면적 산업 적용에 적합합니다. 제작된 MGFG를 이용한 효율적인 김서림 방지 장치와 그리드 패턴 설계를 통한 기판 상의 제어 가능한 국소 열장 생성을 시연했습니다. 높은 투명도와 전도도를 겸비한 MGFG는 터치 패널, 스마트 윈도우, 웨어러블 기기 등 투명 전극 분야에 큰 잠재력을 가집니다.
석영 기판 위에 CVD법으로 다양한 두께의 MGF를 증착했습니다. 폴리스티렌(PS)을 탄소원으로 사용하여 300°C에서 증발시키고 1000°C에서 Ar/H₂ 분위기 하에 기판에 증착했습니다. 다층 그래핀 성장을 돕기 위해 폴리에틸렌이민과 착화된 Fe 이온을 기판에 스핀 코팅하여 촉매로 사용했습니다(그림 1a). 어닐링 과정에서 Fe 이온이 응집하여 필름 내 Fe 나노입자로 변환됩니다. Fe³⁺ 농도에 따른 MGF의 형태와 결정화 영향은 보충자료 Figure S1에 제시했습니다. 고품질 MGF 확보를 위해 0.5 mg/ml Fe³⁺ 농도가 최적임을 확인했습니다.
촉매 없이 증착된 필름의 라만 스펙트럼(그림 1b)에는 그래핀 특성인 2D 밴드와 D+G 밴드가 없고 넓은 G, D 밴드만 나타납니다. 반면 Fe 촉매 사용 시 2684 cm⁻¹에서 뚜렷한 2D 밴드, 2933 cm⁻¹에서 D+G 밴드, 1342 cm⁻¹에서 D 밴드, 1592 cm⁻¹에서 G 밴드가 관찰되어 그래핀 특성이 확인됩니다. SEM 이미지(그림 1c)는 MGF의 높은 밀도와 평활도를 보여줍니다. PS 양을 조절하여 다양한 두께의 MGF를 제작했습니다(그림 1d, e). 두께 증가에 따라 시트 저항과 투과율 모두 급격히 감소했습니다. 3 nm 두께 필름은 550 nm에서 80% 투과율을 보이나 시트 저항이 13.5 kΩ/□로 높고, 0.1 kΩ/□ 저항을 갖는 필름은 투과율이 0.38%에 불과했습니다. 투명 전극으로서 MGF의 품질을 평가하기 위해 품질 인자 FoM을 도입했습니다(식 1).
$$ \mathrm{FoM}=\frac{188.5}{R_s\left(\sqrt{\frac{1}{T}}-1\right)} $$ (1)
여기서 T는 투과율, Rₛ는 시트 저항입니다. 10~350 nm 두께 MGF의 FoM은 0.1~0.5 범위로 박리 흑연과 유사한 수준입니다(그림 1f).
성장된 MGF의 FoM을 개선하기 위해 투명도와 시트 저항의 상충 관계를 해소해야 합니다. 이를 위해 IR 레이저로 MGF를 제거하여 마이크로 그리드 구조를 형성했습니다(그림 2a). 테일러링 원리는 필름이 고출력 레이저 빔의 에너지를 흡수하여 밀도 높은 열에너지로 변환, 조사 부위가 순간적으로 제거되는 것입니다. 레이저 직접 쓰기 시스템을 이용해 레이저 출력, 스캔 속도, 빔 직경을 미세 조절하여 임의의 패턴(보충자료 Figure S2)을 형성할 수 있습니다. 테일러링 선폭은 25~100 μm로 최적화되었으며 최소 패턴 폭은 5 μm까지 가능합니다. 최적 FoM을 위해 스크린 윈도우 형태의 그리드 구조를 제작했습니다(그림 2b, c). 투과 모드와 반사 모드 현미경 이미지에서 잘 정렬된 미세 구조가 확인되며, 마이크로 기공은 균일하고 투명하며 남은 그리드는 연결되어 있습니다. SEM 이미지(보충자료 Figure S3)는 기공과 그리드의 세부 구조를 보여줍니다. 마이크로 기공 크기는 약 100 μm입니다. AFM과 SEM 이미지(그림 2d, e)는 MGFG 모서리가 직선적이고 예리함을 보여주어 테일러링 공정의 높은 품질을 입증합니다. 그림 2f는 테일러링된 그리드의 라만 스펙트럼으로, 남은 그리드는 테일러링 후에도 원래 MGF 구조를 유지하나 잔여 플레이크는 레이저 제거로 인해 상대적으로 높은 D 밴드와 약한 2D 밴드를 보입니다. 추가로 적외선 흡수 분석(그림 2g) 결과 제거된 MGFG에서 뚜렷한 흡수가 없어 그래핀 층이 레이저 제거로 잘 제거됨을 확인했습니다.
테일러링된 그리드 파라미터가 투과율과 시트 저항에 미치는 영향을 평가하기 위해 다양한 제거 비율(ablation ratio)의 MGFG를 제작했습니다(그림 3a-h). 마이크로 기공 크기를 100×100 μm에서 250×250 μm로, 선폭을 180~30 μm로 조절했습니다. 제거 비율이 0에서 75%로 증가함에 따라 투과율은 0.38%에서 75%로, 시트 저항은 70 Ω/□에서 340 Ω/□로 증가했습니다(그림 3i-j). 다양한 저항률, 기공 크기, 그리드 폭의 MGFG(보충자료 Figure S4)로 투명도와 시트 저항의 최적 조합을 연구했습니다. 그림 3k-l에서 투과율은 200배 증가한 반면 시트 저항은 5배만 증가했으며, FoM은 0.4에서 3.6으로 향상되었습니다. 80% 투과율에서 기존 MGF의 FoM은 ~0.1(그림 1e)인 반면, MGFG의 시트 저항은 340 Ω/□로 MGF(13.5 kΩ/□)의 2.5%에 불과합니다. 즉, 동일 투과율 80%에서 MGFG의 FoM이 MGF의 0.1에서 3.6으로 크게 향상되었습니다. 따라서 마이크로 그리드로 테일러링함으로써 MGFG의 투명도와 전도도가 MGF 대비 획기적으로 개선됨을 확인했습니다. 시각적 효과를 위해 5 cm × 5 cm MGF 샘플을 자연광에서 촬영했습니다(그림 3m, n). 테일러링 전 샘플은 완전히 불투명하나 테일러링 후 맑은 풍경이 투과해 보입니다.
제작된 그리드를 석영 기판 위에 투명 전기열 김서림 방지 장치로 활용했습니다(그림 4a, b). 75% 투과율 그리드의 전기열 성능을 다양한 전압에서 시험했습니다. 물방울이 맺힌 그리드 표면(그림 4a)에 전원을 인가하자 2분 내에 물방울이 사라졌습니다(그림 4b). 등온선 온도 맵(그림 4c)으로 전기열 거동을 직접 관찰했습니다. 그림 4d에서 MGFG 표면 온도는 시간과 전압에 따라 상승하며, 전압 영향이 큽니다. 동일 전압에서 온도는 초기 급상승 후 안정화됩니다. 그림 4c에서 두 전극 주변에 열이 더 집중되는 것은 전류 밀도 분포가 불균일하기 때문입니다. 두 접촉 전극 부위의 전류 밀도가 높아서 온도가 더 올라갑니다. 이 메커니즘을 이용해 MGFG를 원하는 패턴으로 테일러링하면 전류 밀도를 균일하게 분포시켜 기판 상의 국소적이고 제어 가능한 열장을 구현할 수 있습니다. 그림 4e처럼 벨트 형태의 MGFG를 설계하여 국소 열장을 형성했습니다(그림 4f). 이어서 그림 4h처럼 MGFG 벨트 어레이를 설계하여 평면 전극과 그리드 벨트 어레이로 균일한 전류 분포를 유도했고, 실험 결과 기판 상에 균일한 열장을 얻을 수 있었습니다(그림 4h). 이는 향후 고품질 전기열 소자 제작에 큰 도움이 될 것입니다.
IR 레이저를 이용해 불투명한 MGF를 마이크로 그리드 구조로 테일러링함으로써 높은 투명도와 전도성을 겸비한 전극으로 변환했습니다. CAD 설계와 레이저 직접 쓰기 시스템을 통해 임의의 다층 그래핀 패턴을 얻을 수 있습니다. 테일러링 공정은 대면적 양산에 적합할 정도로 빠릅니다. 부분 제거와 마이크로 그리드 생성을 통해 전도성을 유지하면서 투명도를 0%에서 80%까지 크게 향상시킬 수 있습니다. MGFG를 전기열 소자와 그리드 패턴 설계를 통한 기판 상의 제어 가능한 국소 열장 구현에 응용함을 시연했습니다. 이 그래핀 그리드 제작 경로는 복잡한 박리 공정 없이 다층 그래핀이나 흑연 필름을 직접 투명 전극으로 활용할 가능성을 열어줍니다.
수용액 Fe³⁺ 이온 촉매 전구체는 FeCl₃ 2.5 g을 폴리에틸렌이민(PEI) 1 g, 에틸렌다이아민테트라아세트산(EDTA) 1 g, 물 30 mL가 든 용액에 녹여 제조했습니다. 초여과 후 최종 Fe 농도는 유도결합 플라즈마 원자방출 분광법(ICP-AES, 퍼킨엘머 Optima 8000)으로 28.20 mg/mL로 측정되었습니다. 28.20 mg/mL Fe³⁺ 용액을 0.5 mg/mL로 희석하여 석영 기판에 5000 rpm, 30초 스핀 코팅했습니다. 폴리스티렌(PS)을 튜브 한쪽에 탄소원으로 두고 1000°C에서 10분간 어닐링했습니다.
그래핀 그리드 테일러링에는 JPT Electronics의 1064 nm IR 레이저(YDFLP-20-M1+-S)를 사용했으며, 스캔 속도 100 mm/s, 출력 2 W, 주파수 42 Hz, 펄스 폭 100 ns 조건으로 진행했습니다.
라만 분광: 호리바 조빈 이본 HR Evolution. 주사전자현미경(SEM): FEI Scios, 10 kV. 광학 이미지: 금속현미경 CMM-55E. 시트 저항: 4점 탐침 테스터 ST2263. 투과율: 시마즈 UV-2450. 등온선 온도 맵: 인프라텍 적외선 카메라(VarioCAM).
본 연구에서 생성되거나 분석된 모든 데이터는 본 논문에 포함되어 있습니다.
나노물질
열 솔루션 공급업체 TCPoly(미국 조지아 Atlanta)는 오픈 소스 FDM 3D 프린터용 최초 열전도성 플라스틱인 TCPoly Ice9 열전도 필라멬트 개발을 발표했다. 탄소 기반 필러와 세라믹 필러 입자 혼합으로 구성된 3D 프린팅 필라멘트는 표준 필라멘트(ABS, PLA, Nylon, PETG 등) 대비 최대 50배 높은 열전도율(10 W/mK)을 유지한다고 한다. 3D 프린팅의 설계 자유도와 결합해 전자 열관리, 열교환기, 금형 툴링 등 산업용 고성능 열전달 제품 제작에 활용 가능하다고 TCPoly는 설명한다. 세 가지
오늘날 시장에는 로봇 절단과 기타 소재 제거 시스템이 많이 있습니다. 레이저 절단은 레이저 빔을 광섬유 케이블로 공급하는 공정으로, 귀사의 니즈에 따라 올바른 선택이 될 수 있습니다. 오늘날 많은 로봇처럼 레이저 절단 로봇도 6축을 갖추고 있어 부품 주위를 모두 움직이며 절단이나 소재 제거를 할 수 있어 자유도가 높고, 애플리케이션의 정확성과 정밀도도 향상됩니다. 로봇 레이저 절단 시스템은 레이저 절단 외에도 다른 애플리케이션을 수행할 유연성이 있습니다. 용접과 소재 제거 같은 다른 작업도 운용할 수 있는 다재다능함이 있습니다.
