"40만번 접어도 성능 그대로"…그래핀 이용 '전자파 차폐' 필름 개발

40만번 이상 접었다 펴도 성능을 유지할 수 있는 전자파 차폐 필름이 국내에서 개발됐다.

한국생산기술연구원은 녹색순환연구부문 홍성우 수석연구원 연구팀과 한양대 화학공학과 고민재 교수 연구팀이 고가의 특수 분산제 없이도 저가의 시판 물질을 활용해 그래핀 뭉침을 억제하는 전자파 차폐 필름 개발에 성공했다고 9일 밝혔다.

공동연구팀이 개발한 전자파 차폐 필름의 내부 구조와 작동 원리. 한국생산기술연구원

그래핀은 금속보다 가볍고, 전기 전도성이 우수해 차세대 전자파 차폐 소재로 주목받는다. 이런 특성 덕분에 그래핀은 디스플레이, 미래 모빌리티, 항공·우주, 고성능 의료기기 등 분야에서 활용될 가능성이 높다.

다만 그래핀은 입자끼리 서로 뭉치는 특성도 가져 실제 제품에 적용했을 때 성능을 발휘하지 못하는 한계를 보인다.

이를 해결하기 위해선 표면을 화학 처리하거나, 특수 분산제를 넣어 뭉침 현상을 방지해야 한다. 하지만 화학 처리 과정을 거친 그래핀은 고유의 전기적 특성이 떨어지고, 특수 분산제는 고가인데다 합성하는 과정이 복잡해 실제 그래핀을 산업적으로 활용하는 데 제약이 따랐다.

공동연구팀은 그래핀을 고르게 분산시키는 데 필요한 분산제의 핵심 분자 구조를 찾아 이런 문제를 해소했다. 고가의 특수 첨가제 대신 시중에서 판매하는 일반 물질인 트리에틸아민으로 그래핀의 뭉침 현상을 막는데 성공하면서다.

트리에틸아민을 넣은 그래핀 용액은 6개월이 지나도 침전이 나타나지 않았고, 완성된 필름 안에서도 그래핀이 고르게 퍼지는 성능을 보였다.

공동연구팀은 그래핀에 유연한 플라스틱 소재, 식물 유래 셀룰로오스 나노섬유, 탄소나노튜브를 혼합해 새로운 전자파 차폐 필름도 제작했다.

물 기반의 친환경 공정으로 플라스틱은 필름의 유연성, 셀룰로오스 나노섬유는 그래핀 결속력을 각각 강화하고 탄소나노튜브로 전기 전도성을 높여 전자파 차폐 성능을 높이는 등 소재별 다른 기능을 수행할 수 있게 설계한 게 특징이다.

이 결과 벽돌 구조로 정렬된 그래핀 사이를 서로 다른 소재가 단단하게 연결해 필름을 반복해 접어도 균열이 생기지 않는 내구성이 확보됐다.

이런 방식은 시판 물질을 쓰면서도 기존 필름·코팅 생산 공정을 활용할 수 있어 복잡한 공정 변경 없이 대면적·대량생산에 적용할 수 있는 장점을 가진다.

공동연구팀이 개발한 필름은 0.1㎜ 두께로도 전자파 에너지를 1/10만 수준으로 줄이는 차폐 성능을 나타냈다. 특히 반지름 3㎜ 크기로 둥글게 말아 접는 폴딩 테스트에서 40만회 반복해도 차폐 성능은 99.4%, 전기 전도도는 97.9%를 유지했으며 외형적 손상도 발생하지 않았다.

홍 수석연구원은 "이번 연구는 고가의 첨가제 없이도 시판 물질을 이용해 그래핀의 분산 성능을 극대화할 방법을 찾았다는 점에서 의미를 갖는다"며 "공동연구팀이 개발한 기술은 앞으로 폴더블 디스플레이 등 차세대 전자기기 시장에서 핵심 소재로 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr