박막화

박막화

박막화는 두께가 μm 이하로 얇게 만드는 것을 의미한다. 박막은 나노미터에서 마이크로미터 두께까지의 범위를 포함하는 얇은 물질 층이라고 할 수 있다. 전자기적 반도체 장치와 광학적 코팅은 박막기술의 주된 적용 범위라 할 수 있다. 주변에서 쉽게 볼 수 있는 박막기술을 이용해 만든 것은 '거울'인데 이것은 빛의 반사를 할 수 있는 유리의 한 쪽 면에 얇은 금속 코팅을 이용해 만든 것이기 때문이다.

이러한 박막화는

• 전자장치를 작고 가볍게 한다.
• 얇고 표면적이 크다

• 물체로부터 나오는 열에너지의 손실을 적게 하여 큰 전력을 다룰 수 있다.

• 인덕턴스가 감소하고 고주파 특성이 좋아진다.
• 얇고 치밀한 보호막으로, 성능이 뛰어나다.
• 자성체 박막은 히스테리시스(hysteresis) 반전의 고속화를 가능하게 한다.

• 히스테리시스는 물체의 성질이 현재의 상태만으로는 모르므로 과거의 이력이 어떠했는가에 따라 다른 현상을 말하는 것인데 철과 같은 강자성체를 자기장 안에 넣어 자화시키면 자기장을 벗어난 뒤에도 자성이 남아있는 현상을 말한다. 이 현상은 히스테리시스 루프라는 모양의 그래프를 나타나게 되는데 히스테리시스 반전의 고속화라는 것은 이 루프의 기울기가 달라진다는 것이다.

• 발광박막같이 고휘도(매우 밝은)의 것을 만들 수 있다.
• 재료가 적게 들고 소형의 것을 동시에 대량 생산할 수 있다.

상세

그래핀 다이아몬드 박막화 공정

세상에서 가장 얇은 다이아몬드가 등장했다. 국내 공동 연구진이 그래핀을 다이아몬드 박막으로 만드는 기술을 개발했다.

2019년 12월, 기초과학연구원(IBS·원장 노도영)은 로드니 루오프 다차원 탄소재료 연구단장(UNIST 자연과학부 특훈교수) 연구팀이 UNIST와 공동으로 간단한 공정만으로 그래핀을 다이아몬드 박막으로 변신시키는 데 성공했다. 그래핀과 다이아몬드는 모두 탄소 원자로만 이뤄져 있지만, 원자 결합형태가 다르다. 이런 결합 차이로 두 물질은 서로 다른 물성을 갖는다. 그래핀은 강도가 높고, 열과 전기를 잘 전달하는 것은 물론 2차원 물질이기 때문에 자유자재로 휘어진다. 반면 다이아몬드는 뛰어난 열전도성과 기계적 강도를 가졌지만 전기가 통하지도 않고, 쉽게 휘어지지 않는다. 다이아몬드를 2차원 평면 형태로 제작할 경우 다이아몬드의 우수한 물성을 반도체 소자를 비롯한 전기, 기계, 화학 등 다양한 분야에 폭넓게 이용할 수 있다. 이 때문에 그래핀 결합구조에 변화를 줘 얇은 초박막 다이아몬드 '다이아메인(Diamane)'을 합성하려는 연구가 등장했지만 아직 상용화에 이르지는 못했다. 결합구조를 변화시키는 과정에 매우 높은 압력이 필요해 제조비용이 비쌀뿐더러 압력이 낮아지면 다시 그래핀으로 돌아가는 등 안정성을 유지하지 못했기 때문이다. 연구진은 2개 그래핀이 쌓인 구조의 이중층 그래핀으로 대기압에서도 안정적인 다이아메인을 세계 최초로 합성했다. 개발 공정은 상온·저압 조건에서 화학적 처리만을 거쳐 다이아메인을 합성할 수 있기 때문에 고압이 필요하던 기존 기술 대비 제조비용을 대폭 줄일 수 있다는 장점도 있다.

연구진은 화학기상증착법(CVD)을 이용해 구리니켈(CuNi) 합금 기판 위에서 이중층 그래핀을 제작한 뒤, 불소 기체를 주입했다. 주입 불소는 그래핀과 화학반응을 일으키며 두 층간에서 탄소결합이 생기도록 유도한다. 주변 3개의 원자와 결합하던 탄소가 4개의 주변 원자와 결합하게 되고, 최종적으로 필름 형태 다이아몬드가 만들어진다. 불소(F)화 과정을 통해 합성했다는 의미에서 연구진은 이 초박형 다이아몬드를 'F-다이아메인'으로 명명했다. 연구진이 합성한 F-다이아메인의 두께는 0.5㎜에 불과하다.

전해질 박막화

국내 연구진이 차세대 연료전지 소재로 주목받는 프로톤 세라믹의 전해질 박막화에 성공, 300~600도의 중저온 연료전지 성능을 획기적으로 높일 수 있는 기반을 마련했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 고온에너지재료연구센터 손지원 박사팀이 고려대 심준형 교수팀과 중저온에서 작동하는 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC)의 성능 극대화 방안을 연구, 세라믹 전해질을 효과적, 안정적으로 박막화 하는 기술을 개발했다고 밝혔다. PCFC는 산소 대신 가벼운 수소 이온을 전도하는 세라믹 막으로 구성된 연료전지로 중저온 영역에서 기존 세라믹 전해질보다 100배 이상 높은 전도도를 보인다. 하지만 박막으로 만들기 어렵고 다른 세라믹 물질과 결합력이 떨어지는 단점이 있다.

연구진은 안정적인 전해질 박막화를 위해 멀티스케일(multi-scale) 프로톤 세라믹 연료전지 구조체를 개발, 머리카락보다 얇은 전해질이 연료전지 저항을 크게 줄이며 기존 프로톤 세라믹 연료전지보다 성능을 2배 이상 높이는 데 성공했다. 나노미터 수준의 작은 입자 위에서 성장시킬 수 있어 1㎛(100만분의 1ｍ)까지 전해질 두께를 줄인 게 주효했다.

단열재 박막화

휴먼싸이디가 OLED 디스플레이와 스마트폰의 발열로부터 전자회로를 보호하는 '에어로젤 다중충진기술'에 의한 초단열필름을 개발하는데 성공하였다. 휴먼싸이디는 2010년부터 에어로젤을 이용한 초단열 필름의 개발에 착수하였으며, 이번에 드디어 두께가 0.15mm인 초단열 에어로젤 필름의 개발에 성공한 것이다.

'에어로젤'은 단열효과가 높은 꿈의 소재로 알려져 있었으나 성형기술의 한계로 인해 세계유수의 기업들도 제품화에 번번이 실패했다. 휴먼사이디는 에어로젤 필름의 성형에 획기적인 '다중충진과 섬유 라미네이팅 기술'을 도입하여 물성(物性)의 변화 없이 초단열특성을 유지하는 필름을 개발했다.

기존의 폴리머 필름은 1mm의 두께로 10℃의 온도 차단 효과가 있지만, 에어로젤 필름은 0.15mm 두께의 경우 22℃, 0.5mm의 경우 30℃, 1mm두께의 경우에는 무려 60℃ 온도 차단 효과를 가져온다. 폴리머 필름에 비해 6배 온도차단효과가 있음이 입증된 것이다.

배터리 박막화

현재 태양전지나 리튬이차전지 분야에서 박막화 기술개발이 진행중이다. 두께를 종이보다 얇은 수십 마이크론으로 줄이고, 종이처럼 휘어질 수 있어 다양한 형태의 제품에 사용될 수 있는 박막전지는 스마트카드, RFID, 무선센서, 헬스케어, 인공장기등에 적용할 수 있으며 소형화 되어가는 전자제품 시장 트렌드를 선도할 것으로 기대된다.

박막 배터리는 필름구조 때문에 리튬이온 배터리보다 폭발 위험성이 낮아 가장 안전한 차세대 배터리 솔루션으로 주목받고 있다. 박막배터리 전문 회사인 GS나노텍은 기존의 리튬 2차전지와는 달리 전해액을 사용하지 않는 고체 형태로서, 친환경적이고 고온에 강하며 폭발 및 발화의 위험이 없는 박막배터리를 아시아 최초로 개발하여, 2010년 6월부터 본격적인 양산에 들어갔으며 미국의 배터리 벤처기업 인피니트도 박막 배터리를 주력 상품으로 생산하고 있다.

지난 1992년 미국에서 개발한 박막배터리는 배터리의 구성요소인 양극, 전해질, 음극 등을 얇은 필름에 집적시킨 전지를 지칭한다. 하지만 박막배터리는 단위부피 당 충전능력이 리튬이온 배터리보다 떨어지고 제조원가는 3배나 높은 문제점 때문에 그동안 대량생산에 들어가지 못했다.

참고자료

• 〈[https://www.reportshop.co.kr/report/426736 thin film 박막 에 대한 정의와 제조방법 정리〉, 《레포트샵》, 2019-12-24
• 고광본 선임기자, 〈프로톤 세라믹 전해질 박막화..차세대 연료전지 성능 획기적 개선〉, 《서울경제》, 2018-07-23
• 송은섭 기자, 〈꿈의 단열재 ‘에어로젤’ 박막화 성공〉, 《더타임즈》, 2012-09-26
• 배일한 기자, 〈차세대 박막리튬전지 `귀한 몸`〉, 《전자신문》, 2006-08-23
• 최석환 기자, 〈GS나노텍 박막전지 6월부터 상업생산〉, 《머니투데이》, 2010-03-10
• 고광본 선임기자, 〈프로톤 세라믹 전해질 박막화..차세대 연료전지 성능 획기적 개선〉, 《서울경제》, 2018-07-23

같이 보기

• 박막
• 태양전지
• 리튬이차전지
• 그래핀
• 전해질
• 단열재

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