구리 식각용액 재활용 친환경 그래핀 합성기술 개발

김수영 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 구리 식각용액을 재활용하는 친환경 그래핀 합성기술을 개발했다.

미래창조과학부는 김수영 중앙대 화학신소재공학부 교수와 이종람 포항공대 신소재공학과 교수가 주도하고 화학신소재공학부 석사과정 연구원 권기창(제 1저자), 신소재공학과 박사과정 연구원 함주영, 김성준 박사가 참여한 국내 연구진이 그래핀 합성 후 버려지는 구리 식각용액을 전기도금으로 재사용하는 방법을 개발했다고 13일 밝혔다.

연구결과는 차세대 전자소자의 소재로 주목받는 그래핀의 친환경적이고 경제적인 생산방법 개발에 기여할 것으로 기대된다.

이번 연구는 미래부가 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행돼 네이처 자매지 사이언티픽 리포트지 지난달 29일자 온라인판에 게재됐다.

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그래핀은 뛰어난 전기전도도와 투과도, 강한 기계적 내성 덕분에 고가의 희귀금속인 인듐을 사용하는 데다 깨어지기 쉬운 기존 인듐주석산화물(ITO)를 대체할 투명전극 소재로 주목받고 있다.

그래핀 합성을 위해서는 구리촉매 기판에서 그래핀을 분리하는 작업이 필요하고 이때 사용되는 구리 이온이 들어있는 식각용액을 화학처리로 폐기해야 하는 단점이 있었다.

이번 기술의 핵심은 사용된 구리 식각용액을 구리촉매 기판 합성을 위한 전기도금의 전해질로 재사용한 데 있다.

연구팀은 구리 식각용액인 암모늄퍼설페이트 용액을 이용해 그래핀이 합성된 구리를 식각한 뒤 모아 전기도금의 전해질 용액으로 사용해 재사용구리를 제작했다.

유리 기판 위에 인듐-주석 산화물 50 나노미터를 전기흐름 층으로 사용해 전기 도금을 하고 구리 층을 50 나노미터 증착해 전기 도금이 잘 일어날 수 있도록 조정했다.

그래핀 합성 후 사용된 식각용액은 모아 전기 도금에 사용되는 전해질로 구리 이온이 포함된 황산구리 용액을 사용했다.

여기에 일정량의 전기를 가해준 뒤 인듐-주석 산화물로부터 얇은 구리 포일을 떼내어 그래핀 합성에 사용했다.

전기도금으로 만들어진 구리촉매 기판은 그래핀의 육각형 구조와 비슷한 결정모양을 많이 포함하고 있어 그래핀 합성의 촉매로 적합하다.

실제로 이렇게 만들어진 그래핀을 이용해 유기발광 다이오드와 유기 태양전지를 제작한 결과 ITO 전극을 이용한 것에 비해 각각 103%의 발광효율과 98%의 광전변환효율을 나타냈다.

김 교수는 “이번 연구결과는 그래핀 합성 후 폐기해야 하는 구리 식각용액의 재활용 방안을 제시하고 이를 이용해 그래핀 합성 단가를 낮춰 향후 ITO를 대체할 그래핀 응용소자의 상용화를 앞당길 것으로 기대한다”고 밝혔다.