초소형, 고정밀, 저비용의 진공압력 측정술 세계 첫 개발 - 분자 간 인력을 이용한 원천기술로 측정오차 대폭 줄여

초소형, 고정밀, 저비용의 진공압력 측정술 세계 첫 개발 - 분자 간 인력을 이용한 원천기술로 측정오차 대폭 줄여

 

등록일 2016-12-30

 

 

 
초소형, 고정밀, 저비용의 진공압력 측정술 세계 첫 개발
- 분자 간 인력을 이용한 원천기술로 측정오차 대폭 줄여 -
- 3년 이내 상용화 가능, 3조 원대 세계 시장 개척에 큰 기대 -
 
         
□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 안성일 교수(신라대) 연구팀이 그래핀* 막을 이용하여 진공압력을 측정할 수 있는 새로운 원리를 발견하고, 이를 활용해 진공압력 측정센서 원천 기술을 세계 최초로 개발  하였다고 밝혔다.
   * 그래핀 : 원자 크기의 벌집 형태 구조를 가진 탄소 소재로 흑연의 층상 구조에서 한 층이 떨어져 나와 두께가 0.2mm로 얇지만, 매우 우수한 기계적 강도와 유연 기판상에서도 우수한 전기전도성으로 인해 다양한 첨단 기기에 적용될 수 있는 꿈의 신소재로 불린다.

□ 진공기술은 거의 모든 연구개발 및 산업 영역에서 이용되는 보편화된 기술로 표면과학, 박막제조기술, 우주과학, 재료과학 등 자연과학과 공학 계열의 대부분에서 사용된다. 따라서 진공도 측정 기술은 매우 중요하다.

 o 그동안 진공 압력을 측정하기 위해서는 진공 중의 기체분자에 의한 열전도, 이온화된 기체분자에 의한 전류, 혹은 외압과 내압 간의 물리적 힘으로 변형되어 나타나는 전기적 특성을 이용하였다.

 o 그러나, 기존의 센서는 정밀한 측정이 어려워 측정 오차가 10% 이상에서 압력 범위에 따라 최대 30% 이상의 큰 오차를 가지며, 한 개의 센서를 사용하여 상압에서 고진공까지의 압력을 측정하지 못하는 단점이 있다.
 o 또한, 현재 사용되고 있는 진공압력 센서는 미세한 저항 혹은 전류 값 변화를 감지하기 위해서 복잡하고 덩치가 큰 시스템으로 구성된다.
 o 따라서 얇은 형태의 진공 시스템의 내부 진공도 측정과 진공도에 따른 불량 판정, 진공도에 따른 소자 동작 특성 연구는 현재의  진공센서를 이용하여 측정할 수 없거나, 대안 기술들을 사용하여 측정할 수 있지만 오차율이 매우 높았다.

□ 이에 안성일 교수 연구팀은 이성의 교수(한국산업기술대학교), 김승윤 박사(아주대학교), 최경근 박사(나노융합기술원)와 공동으로 기체 분자 양에 따라 그래핀 막 내에 존재하는 그래핀 조각 간의 간격이 반데르발스 인력*에 의해서 변화하고 이것이 전기 전도도와 비례함을 밝혀냈다.
   * 반데르발스 인력 : 대략 1nm 이하의 거리를 가지는 원자 혹은 분자 간에 발생하는 인력으로 그래핀 막 내에서는 1 nm 보다 작은 나노 공간에 접하고 있는 탄소원자 사이에서 발생하는 인력.

□ 또한 진공압력을 측정할 수 있는 새로운 센서를 개발하여 세계 최초로 이용하였다.

 o 이 진공압력센서는 상압에서 고진공까지 높은 정밀도 진공 측정이 가능하며, 매우 얇은 그래핀을 이용하므로 초소형 센서 제작이 용이하다. 학문적인 연구 분야를 비롯해 진공을 이용한 생산기술 분야, 우주개발에 필요한 진공센서 기술 등의 응용 연구에도 적용할 수 있다.

□ 안성일 교수는 “이번 연구는 그래핀을 이용한 소자의 상용화 토대를 마련해 IT 및 최첨단 기술 등 향후 미래 기술에 적용 가능하다.”면서, “향후 3년 이내에 상용화가 가능할 것으로 예상하며, 3조원 가량의 세계시장에서 수입 대체 효과 및 경쟁력을 얻게 될 것이다.”라고 말했다.

□ 한국연구재단 일반연구지원사업(교육부 소관사업)의 지원을 통해 거둔 이번 연구성과는 세계 3대 학술지 Nature의 자매지인 ‘사이언티픽 리포터(Scientific Report)’에 12월 15일 자로 게재되었다.
<참고자료> : 1. 논문의 주요내용
             2. 연구결과 개요
             3. 연구이야기
             4. 용어설명
             5. 그림설명
             6. 연구자 이력사항

논문의 주요 내용

 □ 논문명, 저자정보
   - 논문명 : 환원 그래핀 자기 조립막을 이용한 새로운 진공압력 센서 (Self-assembled and intercalated film of reduced graphene oxide for a novel vacuum pressure sensor)
   - 저자 정보 : 안성일(교신/제1저자, 신라대, 에너지화학공학부; 실험 디자인/논문작성/연구총괄), 정주라(공동저자, 신라대, 에너지화학공학부; 그래핀 합성/센서측정실험), 김용우(공동저자, 신라대, 에너지화학공학부; 그래핀합성/센서측정실험), 이유진(공동저자, 신라대, 에너지화학공학부; 자기조립막 제조), 김국주(공동저자, KAIST, 전기공학부; 시료분석), 이성의(교신저자, 한국산업기술대, 신소재공학부; 센서소자제작/분석), 김승윤(교신저자, 아주대, NT.IT 융합기술연구소; 분자간 인력 이론 계산 및 시뮬레이션), 최경근(교신저자, 나노융합기술원; 센서구조 분석)

□ 논문의 주요 내용
    발표된 연구결과는 본 연구실에서 개발된 반응성 자기조립 (RSA) 방법을 이용하여 그래핀 막 사이에 균일한 나노기공을 만들고 이 기공 속에 존재하는 기체 분자들의 양에 따라 분자 간 인력에 의해 기공 변형이 일어나고 이 결과가 전기 전도도로 나타나는 현상을 이용하여 진공압력 측정이 가능함을 보였다. 소자형태의 센서로 측정된 압력은 오차율이 대략 3% 내외, 진공 측정 범위는 상압에서 10-7 mbar 까지 가능하였다. 분자 간 인력 즉 반데르발스 인력에 의해 진공압력을 측정하는 방법은 본 연구에서 처음으로 제안된 방법으로 원천기술을 확보한 기술이다.

 1. 연구의 필요성
   ㅇ 진공기술은 거의 모든 연구개발 및 산업 영역에서 이용되는 보편화된 기술이다. 예로서 표면과학, 박막제조기술, 우주과학, 재료과학 등 자연과학과 공학 계열의 대부분에서 사용된다. 따라서 진공도 측정 기술은 매우 중요한 기술이라 할 수 있다. 현존하는 센서는 대체적으로 진공도에 따라서 저항 혹은 전류 변화 값이 매우 적어 정밀한 측정이 어려워 측정 오차가 10% 이상에서 심한 경우 압력 범위에 따라 30% 이상의 큰 오차를 가지며, 한 개의 센서를 사용하여 상압에서 고진공까지의 압력을 측정하지 못한다. 또한, 현재 사용되고 있는 진공압력 센서의 단점은 미세한 저항 혹은 전류 값 변화를 감지하기 위해서 복잡하고 덩치가 큰 시스템으로 구성된다는 것이다. 이러한 단점으로 인해 박형의 진공 시스템의 내부 진공도 측정과 진공도에 따른 불량 판정, 진공도에 따른 소자 동작 특성 연구는 현재의 진공게이지를 이용하여 측정 불가능하다.

 2. 발견 원리
   ㅇ 발표된 연구결과는 본 연구실에서 개발된 반응성 자기조립 (RSA) 방법을 이용하여 그래핀 막 사이에 균일한 나노기공을 만들고 이 기공 속에 존재하는 기체 분자들의 양에 따라 분자 간 인력에 의해 기공 변형이 일어나고 이 결과가 전기 전도도로 나타나는 현상을 이용한다.

3. 연구 성과
   ㅇ 상압 ~ 10-7 torr 전 범위의 고정밀 진공압력 측정기술은 학문적 측면에서 연구의 신뢰성을 높일 뿐만 아니라 비용적인 측면에서도 매우 효율적임. 특히 10-7 torr 이상의 고진공 측정기술은 진공을 이용하는  산업분야 및 연구 분야에서도 매우 큰 가치를 가짐.     

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경
 ㅇ 진공기술은 거의 모든 연구개발 및 산업 영역에서 이용되는 보편화된 기술이다. 예로서 표면과학, 박막제조기술, 우주과학, 재료과학 등 자연과학과 공학 계열의 대부분에서 사용된다. 따라서 진공도 측정 기술은 매우 중요한 기술이라 할 수 있다. 진공도를 측정하는 직접 게이지에는 주로 저 진공에서 사용되는 McLeod, Bourdon, 격막식 게이지 등이 있다. 간접 측정 게이지는 기체의 열 특성을 이용한 열전쌍, 피라니, 및 컨벡션 게이지, 열 대류 현상과 저항과의 관계를 이용한 게이지 등이 있다. 이 이외에 기체 이온을 이용한 게이지로 이온 게이지 등이 있다. 대체적으로 진공도에 따라서 저항 혹은 전류 변화 값이 매우 적어 정밀한 측정이 어려워 측정 오차가 10% 이상에서 심한 경우 압력 범위에 따라 30% 이상의 큰 오차를 가지며, 한 개의 센서를 사용하여 상압에서 고진공까지의 압력을 측정하지 못한다.   
 ㅇ 또한, 현재 사용되고 있는 진공압력 센서의 단점은 미세한 저항 혹은 전류 값 변화를 감지하기 위해서 복잡하고 덩치가 큰 시스템으로 구성된다는 것이다. 이러한 단점으로 인해 박형의 진공 시스템의 내부 진공도 측정과 진공도에 따른 불량 판정, 진공도에 따른 소자 동작 특성 연구는 현재의 진공게이지를 이용하여 측정 불가하며 대안 기술들(예; 플라즈마 방전 개시 전압 등)을 이용하여 측정하지만 오차율이 매우 높은 것으로 알려져 있다. 

 2. 연구내용
 ㅇ 발표된 연구결과는 본 연구실에서 개발된 반응성 자기조립 (RSA) 방법을 이용하여 그래핀 막 사이에 균일한 나노기공을 만들고 이 기공 속에 존재하는 기체 분자들의 양에 따라 분자 간 인력에 의해 기공 변형이 일어나고 이 결과가 전기 전도도로 나타나는 현상을 이용하여 진공압력을 측정하는 기술이다.
 ㅇ 분자 간 인력 즉 반데르발스 인력에 의해 진공압력을 측정하는 방법은 본 연구에서 처음으로 제안된 방법으로 원천기술을 확보한 기술이다. 현재까지 알려진 진공압력 측정 기술과 완전히 다른 새로운 원리에 입각하여 측정되며, 초박형의 그래핀을 이용하므로 초소형 센서 제작이 용이하며, 상압에서 고진공까지 매우 광범위한 진공 압력을 측정할 수 있어 현재 사용되고 있는 진공센서들에 비해 응용성이 매우 높다.   
  
3. 기대효과
 ㅇ 상압 ~ 10-7 torr 전 범위의 고정밀 진공압력 측정기술은 학문적 측면에서 연구의 신뢰성을 높일 뿐만 아니라 비용적인 측면에서도 매우 효율적임. 특히 10-7 torr 이상의 고진공 측정기술은 진공을 이용하는  분야에서 학문적으로도 매우 큰 가치를 가짐.
 ㅇ 보호막이 필요한 디스플레이 소자를 포함한 전자소자 및 외부가스 침투 방지 필름의 평가 기술의 신뢰성 확보와 더불어 이 분야에서의 독보적인 평가기술 확보가 가능함. 또한, 저비용 및 고정밀 진공압력 측정은 생산기술의 향상을 가져다주는 매우 중요한 기술임.
 ㅇ 진공 센서 및 게이지는 세계적으로 대략 3조원 이상의 시장을 가지고 있으며, 매년 7% 이상 성장하고 있음. 국내의 경우 특허가 끝난 기술을 이용하여 생산하는 업체가 한두 곳 있으나, 전체 시장에서 차지하는 비율이 매우 낮아 거의 수입에 의존하고 있음. (700억 내외)
따라서 본 연구 결과의 새로운 진공센서는 이 분야에서 독자적인 시장개척, 기술자립, 및 수입 대체 효과가 매우 클 것으로 예상됨.

 

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

그래핀 산화물의 합성 및 구조제어에 관한 연구를 연구재단으로부터 지원 받아 산화 그래핀에 대한 연구를 3년간 진행하였고, 연구결과물중 하나로 얻은 성과이며, 다시 재단의 지원을 받아 상기 연구성과를 바탕으로 더 특성이 우수한 센서를 연구 중이다.  

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

그래핀의 온도에 따른 전기적 물성을 연구하는 중에 진공에서의 전기적 특성과 상압에서의 전기적 특성이 다른 것을 발견하고 이를 자세히 연구하는 과정에서 얻은 성과이다. 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

분자 간 인력에 의한 나노단위의 변형 현상을 직접적으로 증명하기 위해서 고가의 장비들이 필요하였으나, 현재 연구실에서 구비되지 않아 간접적인 증명으로만 끝났다. 이 때문에 보다 좋은 논문에서 게재 검토가 여러 번 있었으나, 직접적인 증명이 힘들어 게재되지 못하였다.      

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

진공기술은 거의 모든 연구개발 및 산업 영역에서 이용되는 보편화된 기술이다. 따라서 진공도 측정 기술은 매우 중요한 기술이라 할 수 있다. 그러나 진공도를 측정하는 게이지의 측정 원리는 높은 오차율에도 불구하고 지난 100년간 거의 변화가 없었다. 또한, 비용적인 측면에서 매우 고가이다. 분자 간 인력 즉 반데르발스 인력에 의해 진공압력을 측정하는 방법은 본 연구에서 처음으로 제안된 방법으로 원천기술을 확보한 기술이다. 현재까지 알려진 진공압력 측정 기술과 완전히 다른 새로운 원리에 입각하여 측정되며, 초박형의 그래핀을 이용하므로 초소형 센서 제작이 용이하며, 상압에서 고진공까지 매우 광범위한 진공 압력을 측정할 수 있어 현재 사용되고 있는 진공센서들에 비해 응용성이 매우 높다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

원천기술을 개발한 후 더 많은 연구가 필요한 것을 느낀다. 다양한 장점이 있는 반면 단점들도 상당히 존재하기 때문에 이러한 단점들을 극복하고, 새로운 센서 구조를 디자인 하는데 상당한 기간이   소요될 것으로 예상되지만 향후 3년 이내에 상용화 가능하리라 기대한다.  

용 어 설 명

1. 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports) 誌
  ○ 사이언티픽 리포트 (Scientific Reports)는 융합과학/공학 분야의 최상위 학술지인 Nature지의 자매지중 하나로 2011년도부터 출판되었으며, SJR (SCImago Journal&country Rank) 기준 전세계 복합 자연과학 분야 (Multidisciplinary sciences) 학술지 중 4위의 순위를 가지고 있다.

2. 그래핀
  ○ 그래핀이란 원자크기의 벌집 형태 구조를 가진 탄소 소재로 흑연의 층상 구조에서 한 층이 떨어져 나와 두께가 0.2mm로 얇지만 매우 우수한 기계적 강도와 유연 기판상에서도 우수한 전기전도성으로 인해 다양한 첨단 기기에 적용될 수 있는 꿈의 신소재로 불린다.
 
3. 산화그래핀
  ○ 그래핀은 흑연에서 한 층씩 얻거나, CVD(Chemical vapour deposition: 화학증기상 증착법. 진공증착법의 일종.)을 이용하여 대면적 박막을 얻을 수 있다. 대량으로 그래핀을 얻을 수 있는 방법 중 하나로 화학반응을 통하여 산소를 흑연과 반응시켜 용액상으로 얻은 그래핀 화합물을 산화 그래핀이라 부른다.

4. 자기조립 (self-assembly)
  ○ 특정 조건에서 소재들이 균일하게 2차원상으로 혹은 3차원상으로 조립되는 현상

그 림 설 명

              
그림 1. (a) 센서동작 모식도; 진공압력에 따른 그래핀 박막내의 나노기공 변형과 전기전도 특성, (b) 재현특성; 진공-상압 간 압력이 연속적으로 변화에 따른 센서 동작 특성