- 생기원·한양대, 값싼 시판 물질로 그래핀 뭉침 현상 해결

- 두께 0.1㎜ 초박막 필름 구현, 폴더블폰·웨어러블 기기 활용

홍정우 수석연구원이 개발된 초박막 필름을 들어 보이고 있다.[한국생산기술연구원 제공]
홍정우 수석연구원이 개발된 초박막 필름을 들어 보이고 있다.[한국생산기술연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 40만번 이상 접어도 전자파 차단 성능이 거의 떨어지지 않는 초박막 필름이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 두께는 0.1㎜에 불과하지만 전자파 에너지를 10만분의 1 수준으로 줄일 수 있다.

한국생산기술연구원은 홍성우 녹색순환연구부문 수석연구원 연구팀이 한양대학교 고민재 화학공학과 교수 연구팀과 공동으로 고성능·고내구성 그래핀 기반 전자파 차폐 필름을 개발했다고 9일 밝혔다.

전자파 차폐 필름은 전자기기 내부에서 발생하거나 외부에서 유입되는 전자파를 차단해 기기의 오작동을 막는 핵심 소재다. 최근 폴더블 스마트폰과 웨어러블 기기 등 구부리거나 접을 수 있는 전자제품이 늘면서 얇고 가벼우면서도 반복적인 변형에 견딜 수 있는 차폐 소재의 중요성이 커지고 있다.

그래핀은 금속보다 가볍고 전기 전도성이 뛰어나 차세대 전자파 차폐 소재로 주목받고 있다. 하지만 그래핀 입자끼리 쉽게 뭉치는 특성 때문에 실제 제품에서는 성능이 떨어지는 문제가 있었다.

이를 해결하기 위해 기존에는 그래핀 표면을 화학적으로 처리하거나 고가의 특수 분산제를 사용했다. 그러나 화학 처리는 그래핀 고유의 전기적 특성을 떨어뜨리고 특수 분산제는 가격이 비싸고 제조 과정도 복잡하다는 한계가 있었다.

연구팀은 그래핀을 고르게 분산시키는 데 필요한 핵심 분자 구조를 찾아내 문제를 해결했다. 비싼 특수 첨가제 대신 시중에서 쉽게 구할 수 있는 ‘트리에틸아민’을 활용한 것이다.

실제 트리에틸아민을 첨가한 그래핀 용액은 6개월이 지나도 눈에 띄는 침전이 발생하지 않았다. 완성된 필름 내부에서도 그래핀이 균일하게 분포하는 것으로 확인됐다.

연구팀은 여기에 유연한 플라스틱 소재와 식물에서 얻은 셀룰로오스 나노섬유, 탄소나노튜브를 물 기반 친환경 공정으로 결합했다.

플라스틱은 유연성을 높이고 셀룰로오스 나노섬유는 그래핀 사이의 결속력을 강화한다. 탄소나노튜브는 전기 전도성을 높이는 역할을 한다. 이들 소재가 벽돌처럼 정렬된 그래핀 사이를 단단하게 연결해 반복적으로 접어도 쉽게 균열이 생기지 않는 구조를 구현했다.

개발된 전자파 차폐 필름의 내부 구조와 작동 원리.[한국생산기술연구원 제공]
개발된 전자파 차폐 필름의 내부 구조와 작동 원리.[한국생산기술연구원 제공]

개발된 필름은 두께가 약 0.1㎜에 불과하지만 전자파 에너지를 99.999% 차단하는 성능을 보였다.

특히 반지름 3㎜로 구부리는 시험을 40만회 반복한 뒤에도 초기 전자파 차폐 성능의 99.4%, 전기 전도도의 97.9%를 유지했다. 육안으로 확인할 수 있는 외형적 손상도 나타나지 않았다.

고온·고습 환경과 인공 땀, 급격한 온도 변화 등 실제 사용 환경을 가정한 시험에서도 초기 성능의 92.5% 이상을 유지했다.

연구팀이 개발한 기술은 기존 필름·코팅 생산공정에 적용할 수 있어 대규모 설비 변경 없이 대면적·대량생산으로 확대할 수 있다는 장점이 있다.

홍성우 수석연구원은 “비싼 첨가제 없이도 시판 물질을 활용해 그래핀의 분산 성능을 극대화하는 해법을 찾았다”며 “폴더블 디스플레이를 비롯해 유연성과 고성능을 동시에 요구하는 차세대 전자기기 시장에서 핵심 소재로 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 컴포지트 앤드 하이브리드 머티리얼스(Advanced Composites and Hybrid Materials)’에 게재됐다.


nbgkoo@heraldcorp.com