금속의 부식 방지를 위해 미국은 매년 2천억불의 자금을 쏟고 있다. 부식 방지를 위해서 비활성 물질이나 전도성 물질, 또는 티올 계열의 단일층등을 보호층으로 코팅하고 있다. 하지만 티올 계열의 자가정렬층은 일부의 금속 위에만 코팅이 가능하고, 또한 100도 이상의 온도에 견딜 수 없다. 고분자 코팅의 경우 상대적으로 두껍고, 보호가 필요한 물질의 특성마저 변화시킬 수 있다. 최근 그래핀 성장 기술의 발전을 살펴보면, 상업적인 측면에서 대량 생산이 가능한 것으로 판단된다.
미국 Vanderbilt University의 Kirill I. Bolotin 교수가 이끄는 연구진은 부식 방지 코팅에 있어 그래핀의 활용 가능성을 입증했다. 연구 결과는 2012년 2월 2일자 ACS Nano지에 “Graphene: Corrosion-Inhibiting Coating”란 제목으로 게재됐다.
그래핀은 화학적으로 비활성이며, 일반 대기 조건에서 400도까지 견딜 수 있고, 또한 미터 스케일로 합성한 후 전사가 가능하다. 게다가 4겹의 그래핀은 투과도 90%를 나타내므로, 보호를 위해 하부에 놓인 물질의 광학 특성을 저해하지 않는다. 그래핀은 이미 가스가 통과할 수 없음이 보고됐고, 또한 하부에 놓인 구리의 산화를 방지할 수 있다고 알려졌다.
연구진은 기존의 그래핀 부식 방지 코팅에 대한 증명을 뛰어넘어, 다양한 조건에 대한 부식 방지 정도를 측정하고 이를 향상시키고자 하는 노력을 진행했다. 먼저 순수한 구리 샘플은 표면 오염물을 제거하기 위해 2 sccm의 H2 가스와 함께 1000도에서 1시간 동안 어닐링이 진행됐다. 그리고 화학기상증착법을 통해 고품질의 단일층 그래핀을 합성했다. 니켈의 경우 100 nm 두께로 산화실리콘 기판 위에 증착했고, 그래핀이 올려진 니켈은 시장에서 구매했다. 구리 위에 합성된 그래핀의 경우 PMMA 전사법을 활용해 새로운 니켈 기판 위에 2겹, 4겹 등으로 코팅할 수 있었다.
순수한 구리 샘플의 부식 과정을 살펴보면, 구리는 두개의 전자를 잃어서 Cu2+ 이온이 되고, 산소는 수분 및 전자와 결합을 통해 전자를 소비하게 된다. 그림 2.(a)는 순환 전압 전류(CV; Cyclic Voltammetry) 측정으로, 앞에서 언급한 부식 과정을 나타내게 된다. 순수한 구리의 경우 positive sweep 영역(검은색 커브 중 상단에 놓인 커브)에서 음극 전류가 감소하고, -150 mV에서 양극 피크가 나타난다. 이는 구리 표면에 흡착 반응이 일어났음을 의미한다. negative sweep에서는 (검은색 커브 중 하단에 놓인 커브) 구리의 전기 융해가 발생한다.
CV 커브를 살펴보면 각각 0, -250 mV, 그리고 -550 mV에서 피크가 나타나는데, 구리 이온의 전기적 환원, Cu2+의 Cu1+로의 환원, 그리고 Cu1+가 금속성 Cu로 변환됨을 의미한다. 하지만 그래핀이 코팅된 구리의 경우 (붉은색 커브) 특별한 변화가 나타나지 않는다. 단일층 그래핀은 산소 환원에 대해 훨씬 낮은 친화도를 갖는 것으로 용액과 구리 금속 사이에 장벽을 형성하게 된 것이다. 따라서 부식 방지 코팅으로써 훌륭한 성능을 보유하게 된다. 그림 2(c)의 주사전자현미경 이미지를 살펴보면, 순수한 구리는 200 mV의 전압에 노출된 경우 완전히 손상이 가해진 반면, 그래핀 코팅을 통해 부식을 방지할 수 있었다. 이미지에 나타나는 균열은 처음부터 그래핀에 포함된 결함에 의해 나타나는 것으로 분석됐다.
마지막으로 연구진은 금속의 부식 속도를 계산한 결과, 순수한 구리 및 니켈은 각각 5.76 x 10-13 m/s, 2.99 x 10-14 m/s로 나타났다. 그래핀이 코팅된 구리의 경우 7.85 x 10-14 m/s로 7배 감소가 가능했고, 그래핀이 코팅된 니켈은 20배나 감소시킬 수 있었다. 이는 5배 이상 두꺼운 통상적인 유기 코팅에 상응하는 특성을 입증한 것이다. 니켈 위에 그래핀을 전사한 경우는, 전사 과정에서 발생하는 결함 상태 등에 따라 부식 방지 기능이 나타나지 않았지만, 두번, 네번 반복적인 전사를 통해 최대 4배까지 부식 속도의 감소가 가능한 것으로 나타났다.
그래핀을 활용한 금속의 부식 방지 코팅 기술은, 이번에 언급한 구리 및 니켈 이외에도 다양한 금속에 적용이 가능하다. 또한 표면에 거칠기에도 크게 의존하지 않고, 대면적의 균일한 그래핀 합성 및 전사 과정을 통해 추가적인 부식 방지 성능의 향상을 가져올 것으로 전망된다.
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