mecㆍviewer v1.4 :: [ETRI 보도자료] ETRI, 그래핀 활용해 혁신적 투명필름 개발_250409

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배포일자 : 2025.4.9.(수)				배포번호 : 2025-31호
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ETRI, 그래핀 활용해 혁신적 광경화 투명필름 개발

- 그래핀 안정적 분산과 광학 비선형성 활용, 차세대 광소재 기대

- 반영구 그래핀분산 광경화 콜로이드, 레이저보호·광학AI소재·광학센서 활용

국내 연구진이 꿈의 물질로 불리는 그래핀을 이용해 혁신적인 투명필름 개발에 성공했다. 이번 개발은 그래핀 신물질을 더 쉽게 활용할 수 있도록 신소재 기술을 확보한 것으로 향후 레이저나 광학, 디스플레이, 소재 등 분야에 널리 활용될 전망이다.

한국전자통신연구원(ETRI) 연구진이 그래핀을 안정적으로 분산시킨 새로운 투명 필름을 개발했다. 이 필름은 빛의 세기에 따라 투명도가 변하는 특징을 갖고 있어 향후, 레이저 보호 장치, 스마트 광학 센서, 인공지능(AI) 광소재 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.

그래핀은 강도와 전기전도성이 뛰어나 차세대 혁신 소재로 주목받고 있다. 하지만 기존에는 그래핀이 서로 엉겨 붙는 문제 때문에 실제 산업에서 활용하기 어려웠다. 이 문제를 해결하기 위해 화학적 분산제를 사용했지만, 이 방법은 그래핀의 성질을 온전히 유지하기 어려웠다.

ETRI 연구진은 새로운 그래핀 분산 광경화(光硬化) 콜로이드 조성물을 개발해 별도의 분산제 없이도 그래핀이 고분자 내에서 안정적으로 균일하게 퍼질 수 있게 만드는 기술을 확보했다. 이를 바탕으로 그래핀 분산 필름 및 성형물을 간편하게 제조할 수 있도록 만든 셈이다.

이 그래핀 분산 콜로이드 조성물은 매우 안정되어 그래핀 침전 없이 1년 이상 장기간 보관할 수 있다. 또한, 빛(UV)을 이용해 이 콜로이드 조성물을 단단한 필름으로 변환하는 방식도 적용해 그래핀의 성질을 유지하면서도 가공이 쉬운 신소재를 만들었다.

연구진은 본 기술을 활용하면 필름을 만들 때 콜로이드 조성물의 그래핀 분산용액이 고분자화하여 필름을 형성하기 때문에 그래핀 콜로이드 조성물 모두가 필름형성에 사용되므로 공해물질이 발생하지 않아서 환경친화적이라고 설명했다. 또한, 기존의 금형을 통해 찍어내던 방식 또는 고분자 용액 형태의 필름제조 방식과 달리 그래핀 콜로이드 조성물의 빛(UV) 경화를 통한 필름제조 방식이므로 연속 공정이 가능하여 대량 생산할 수 있어 상용화에 유리하다고 설명했다.

개발된 그래핀 분산 광경화 투명 필름은 그래핀 특유의 빛을 조절하는 성질, 즉 광학 비선형성을 활용해 광학, 전자, AI 분야 등 다양한 산업에 적용될 수 있다.

먼저, 강한 빛을 감지하고 차단할 수 있어 눈이나 장비를 보호하기 위한 레이저 센서 및 보호필름으로 활용하면 효과가 좋을 것으로 보인다. 아울러, 빛의 세기를 조절하고 변화를 감지해 더 정밀한 첨단센서의 제작이 가능한 스마트 광학센서와 인공지능이 빛을 활용한 연산을 수행할 때 활용하는 AI 광학소재 등에 적용할 수 있어 큰 기대가 된다. 또한 투명하고 균일한 필름을 활용하면 고성능 디스플레이 및 광소자 개발에도 큰 의미가 있을 것으로 연구진은 내다봤다.

ETRI 신형철 휴먼증강연구실장은 “이번 연구를 통해 그래핀을 더 쉽게 활용할 수 있는 길이 열렸다. 특히 광 관련 부품 및 AI 응용 기술 분야에서 혁신적인 소재로 자리 잡을 것이다”고 말했다.

ETRI 연구진은 앞으로도 그래핀의 다양한 물성을 활용하여 더욱 정밀하고 효율적인 광소재 및 전자소재 개발을 위한 후속 연구를 지속할 계획이다. 또한, 관련 기업과 협력하여 상용화 연구 및 대량 생산 시스템 적용 방안도 검토하고 있다.

ETRI 연구팀은 이번 연구 성과를 국제적인 권위를 가진 학술 출판사 Elsevier의 재료과학 분야 저널인 『컴포지트 파트 A: 응용 과학 및 매뉴팩쳐링(Composites Part A: Applied Science and Manufacturing)』에 3월 중 게재되었으며, 관련 기술을 국내 특허 출원했다.

본 연구는 ETRI 출연금 사업 “지속가능한 AI를 위한 Optical Learning 핵심기술 개발 연구”의 일환으로 진행되었다. <보도자료 본문 끝>

용어설명

1) 광경화 : 광을 쬐어주면 액상 물질이 고상 물질로 변하는 현상

2) 콜로이드 : 1㎛ 이하의 작은 고상 물질이 액상 물질에 분산된 상태

참고1

그래핀 분산성 문제해결 및 특징(보충자료)

그래핀의 분산성 문제, ETRI가 해결하다

그래핀은 강한 기계적 강도와 높은 전기·열 전도성, 광학적 특성을 지닌 2차원(2D) 소재로, 차세대 전자소재 및 광소재로 주목받고 있다. 그러나 그래핀은 일반적으로 수 나노미터(㎚) 크기의 매우 얇은 평면 구조를 가져 고분자와 친화성이 낮고, 쉽게 엉겨 붙는 성질이 있어 이를 산업적으로 활용하는 데 한계가 있었다. 기존 그래핀/고분자 복합소재 제조 방식에서는 고분자를 용매에 녹여 그래핀을 기계적으로 분산시키고, 분산제를 첨가하여 분산성을 유지하는 방법이 일반적이었다. 하지만 이러한 방식은 용매가 증발한 후 그래핀이 다시 엉겨 붙어 분산성이 감소하는 문제가 발생했다.

이에 ETRI 연구진은 그래핀과의 친화성을 고려한 액상 단량체를 개발하여, 별도의 분산제 없이도 그래핀이 안정적으로 분산될 수 있도록 했다. 또한, 이 액상 단량체는 UV(자외선) 조사에 의해 고분자화되는 성질을 갖고 있어, 별도의 용매 없이 원하는 형태의 그래핀/고분자 복합소재를 쉽게 제조할 수 있다. 결과적으로, 그래핀의 분산성이 유지된 상태에서 광경화 공정을 통해 고체 필름이나 성형물 형태로 가공이 가능해졌다.

고투명·고내구성 그래핀 필름의 혁신적 특징

이번에 개발된 그래핀 분산 광경화 콜로이드 조성물로부터 제조된 그래핀/고분자 복합소재는 기존 기술과 차별화되는 다음과 같은 특징을 갖는다.

반영구적인 그래핀 분산성 유지

개발된 조성물은 1년 이상 장기간 저장해도 그래핀의 안정된 분산력을 유지한다. 용매를 사용하지 않아 환경 친화적이며, 연속 생산 공정에도 적합하다.

우수한 광학적 특성

그래핀의 광학 비선형성(빛의 세기에 따라 광투과율이 달라지는 성질)을 유지하여 광학 부품 소재로 활용 가능하다. 그래핀의 엉김이 없어 광산란이 전무, 투명도가 뛰어나 다양한 광응용 제품으로 확장될 수 있다.

고온 안정성과 기계적 강도 확보

고온에서도 구조적 안정성이 유지되며, 기계적 강도가 높아 산업적 활용성이 크다.

참고2

그래핀 분산 고분자 광경화 복합소재 제조 원리