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완전한 원자 한 층 그래핀 만들었다

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완전한 원자 한 층 그래핀 만들었다

2019.07.03 15:33
기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 연구팀은 순수하게 한 층으로 이뤄진 대면적 그래핀을 합성하는 데 성공했다. 앞줄 왼쪽서 세 번째와 네 번째가 공동 제 1저자인 다 루오 박사후연구원과 메이훼이 왕 석박사통합과정생, 뒷줄 가운데가 교신저자인 로드니 루오프 단장이다. IBS 제공
기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 연구팀은 순수하게 한 층으로 이뤄진 대면적 그래핀을 합성하는 데 성공했다. 앞줄 왼쪽서 세 번째와 네 번째가 공동 제 1저자인 다 루오 박사후연구원과 메이훼이 왕 석박사통합과정생, 뒷줄 가운데가 교신저자인 로드니 루오프 단장이다. IBS 제공

기초과학연구원(IBS) 연구팀이 소재 전체 두께가 원자 한 층으로 균일한 대면적 그래핀을 제작하는 데 성공했다. 지금까지 그래핀을 제작하면 순수한 원자 한 층 대신 원자 여러 층으로 이뤄진 불순한 부분이 일부 존재할 수밖에 없었다. 연구팀은 이번에 개발한 그래핀이 고성능 센서 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대했다.

 

IBS는 다차원 탄소재료 연구단 연구팀이 울산과학기술원(UNIST), 성균관대, 홍콩과기대와 국제공동연구를 통해 순수하게 원자 한 층으로 이뤄진 대면적 그래픽을 합성하는 데 성공했다고 3일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스’ 2일자에 발표됐다.

 

그래핀은 탄소 원자가 벌집처럼 육각형으로 나열된 2차원 물질이다. 얇고 투명하지만 강철보다 강하고 우수한 열전도성과 전기전도성을 갖춘 물질이다. 고성능 그래핀을 합성하는 데는 시중에 판매되는 구리 호일 같은 얇은 금속 박막 위에서 그래핀을 성장시키는 방식인 화학기상증착법(CVD)이 쓰인다.

 

CVD를 이용한 수많은 그래핀 연구가 있었지만 부분적으로 여러 층의 그래핀이 겹친 ‘적층 구역’이 존재하는 한계가 있었다. 전체 면적에 걸쳐 순수하게 한 층으로 이뤄진 그래픽은 지금까지 개발된 적이 없다. 그래핀 한 층이 원자 하나로 이뤄진 만큼 전기적 특성은 층수에 따라 민감하게 변한다. 부분적인 적층의 존재는 그래핀의 물성을 떨어트리는 결함이 된다.

 

연구팀은 우선 그래핀 적층이 생기는 원인을 조사했다. 그 결과 구리 호일이 다량의 탄소 불순물을 함유하고 있고 이로 인해 부분적인 적층이 생성됨을 밝혀냈다. 구리 호일 제조과정에서 쓰이는 탄화수소 기반 윤활제가 구리 표면에 남아 불순물로 작용한 것이다. 다 루오 IBS 다차원탄소재료 연구단 박사후연구원은 “세계적인 구리 호일 제조업체 지안시 구리회사와 논의한 결과 구리 호일 제작과정에서 탄소가 구리 호일에 침투한다는 것을 파악할 수 있었다”고 말했다.

 

탄소 불순물을 모두 제거하자 완전한 원자 한 층의 대면적 그래핀을 만들 수 있었다. 연구팀은 고온의 수소 열처리를 통해 탄소 불순물을 모두 제거한 구리 호일에 그래핀을 키웠더니 적층 구역이 없는 그래핀이 만들어진다는 사실을 확인했다.

 

단결정 구리 호일(오른쪽) 위에서 그래핀을 키웠더니 접힌 부분(fold)을 제외하고는 단결정 그래핀이 형성됐다. 반면 다결정 구리 호일 위에서는 군데군데 단결정 그래핀이 만날때 생기는 ′결정립계′가 발생했다. IBS 제공
단결정 구리 호일(오른쪽) 위에서 그래핀을 키웠더니 접힌 부분(fold)을 제외하고는 단결정 그래핀이 형성됐다. 반면 다결정 구리 호일 위에서는 군데군데 단결정 그래핀이 만날때 생기는 '결정립계'가 발생했다. IBS 제공

연구팀은 성능이 더 우수한 한 층의 단결정 그래핀을 제조하는 데도 성공했다. 단결정 그래핀은 탄소가 규칙적으로 배열된 그래핀으로 단결정 그래핀들이 모여 이뤄진 다결정 그래핀보다 전기적 특성이 좋다. 단결정 구리 호일 위에서 단결정 그래핀은 20~50마이크로미터(㎛, 100만분의 1m) 간격을 두고 군데군데 접힌 형태로 성장한다. 연구팀은 접힌 부분을 제외한 곳에 형성된 그래핀은 적층이 없을뿐더러 방향이 다른 단결정 그래핀이 만날 때 생기는 경계면인 ‘결정립계’도 없는 것을 확인했다.

 

한 층의 단결정 그래핀은 일반적인 그래핀보다 성능이 좋았다. 연구팀은 단결정 그래핀의 캐리어 이동도를 분석해 소재의 물성을 평가했다. 캐리어 이동도는 물질 내에서 전하 입자가 얼마나 잘 이동할 수 있는가를 나타낸 지표다. 수치가 높으면 저항이 적다는 뜻으로 저전력에서도 높은 성능을 낼 수 있다. 이번에 개발된 소재의 캐리어 이동도는 전압과 시간당 1만 ㎠로 일반적인 그래핀에 비해 4배 이상 우수했다.

 

로드니 루오프 다차원 탄소재료 연구단 단장은 “한 층의 대면적 그래핀 합성 연구는 순수한 호기심에서 시작된 기초과학 연구지만 산업계에도 유용하게 쓰일 것”이라며 “현재는 국소적으로 존재하는 접힌 부분의 발생 원인을 찾아 이를 최소화하는 더욱 완벽한 그래핀을 합성하는 연구를 진행하고 있다”고 말했다.

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