IBS, '원자 한 층' 단결정 그래핀 합성 성공

[아이뉴스24 최상국 기자] 기초과학연구원(IBS)이 원자 한 층으로만 이뤄진 그래핀을 합성하는 데 성공했다고 발표했다.

IBS 다차원 탄소재료 연구단(단장 로드니 루오프)은 울산과학기술원(UNIST), 성균관대, 홍콩과기대 등과의 국제공동연구를 통해 순수하게 한 층으로 이뤄진 대면적 그래핀을 합성하는데 성공하고 이를 국제학술지인 '어드밴스드 머터리얼스' 2일자에 게재했다.(논문명 : Adlayer-free large-area single crystal graphene grown on a Cu(111) foil)

연구팀은 그동안 고성능 그래핀을 합성하는 과정에서 늘 발생하던 부분적 적층(겹쳐지는) 현상의 원인을 밝혀내고 이를 해결함으로써 순수하게 원자 한 층만으로 균일하게 펼쳐진 그래핀을 합성해 냈다.

고성능 그래핀 합성에는 일반적으로 화학기상증착법(CVD)이 쓰인다. 구리와 같은 얇은 금속 호일(박막) 위에 그래핀을 성장시키는 방식이다. 지금까지 CVD를 이용한 수많은 그래핀 합성 연구가 보고됐지만, 항상 부분적으로는 여러 층의 그래핀이 겹친 ‘적층 구역’이 존재했다. 그래핀의 전기적 특성은 층수에 따라 민감하게 변하기 때문에 겹쳐진 구역이 있으면 그래핀의 물성을 떨어뜨리게 된다.

연구진은 구리 호일에 함유된 탄소 불순물이 그래핀을 겹쳐게 만든다는 사실을 알아냈다. 전세계에 구리 호일을 공급하고 있는 지안시(Jiangxi Copper Corporation Limited)社와 함께 구리 호일 제작과정에서 탄소가 구리 호일에 침투되는 과정과 구조를 파악했다.

구리 호일 제조 과정에 사용되는 탄화수소 기반의 윤활제가 원인으로, 호일의 표면부터 300나노미터 깊이에 불순물이 집중돼 있는 것을 확인한 연구팀은 고온의 수소 열처리를 통해 탄소 불순물을 모두 제거함으로써 완전한 원자 한 층의 대면적 그래핀을 제조하는 데 성공했다.

연구진은 추가로 원자 한 층 그래핀의 성능을 높이기 위해 탄소 불순물을 제거한 단결정 구리 호일 위에서 단결정 그래핀을 합성했다. 단결정 그래핀은 소자 전체에 걸쳐 탄소가 규칙적으로 배열된 그래핀으로, 방향이 다른 단결정 그래핀들이 모여 이뤄진 다결정 그래핀에 비해 전기적 특성이 우수하다.

실험 결과 단결정 그래핀은 20~50마이크로미터 간격으로 군데군데 접힌 형태로 성장했으며 접힌 부분 사이에 형성된 그래핀은 적층이 없는 것은 물론, 서로 다른 결정 방향을 갖는 결정 사이에 존재하는 경계면(결정립계)도 없는 완벽한 단결정을 이뤘다.

연구진은 한층 단결정 그래핀의 캐리어 이동도Carrier Mobility: 전하가 얼마나 잘 이동하는지를 나타내는 정도)가 화학기상증착법으로 합성된 일반적인 그래핀에 비해 약 4배 이상 우수한 성능을 보였다고 밝혔다.

로드니 루오프 단장은 “한 층의 대면적 그래핀 합성 연구는 순수한 호기심에서 시작된 기초과학 연구지만, 향후 산업계에서도 유용하게 사용될 것”이라며 “현재는 국소적으로 존재하는 접힌 부분의 발생 원인을 규명, 이를 최소화한 더욱 완벽한 그래핀을 합성하는 연구를 진행하고 있다.”고 말했다.