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'완전한 원자 한 층' 대면적 그래핀 합성 성공

적층 구역 없고 경계면 결정립계 없는 '완벽한 단결정 그래핀' 생산
기존보다 성능 4배 이상 우수···"다양한 산업분야에서 활용될 것"
IBS(기초과학연구원·원장 김두철)는 다차원 탄소재료 연구단(단장 로드니 루오프) 연구진이 UNIST, 성균관대, 홍콩과기대 등과 국제 공동연구를 진행한 결과 오직 한 층으로 이뤄진 대면적 그래핀 합성에 성공했다고 3일 밝혔다.

그래핀은 탄소 원자가 육각형 모양으로 나열된 2차원 물질로 물리적·화학적 안정성이 매우 높다. 강철보다 강하고 우수한 열·전기전도성을 가지며 신축성도 매우 뛰어나 다양한 산업 분야에서 주목받는 물질이다.

이러한 특성 때문에 얇은 금속 호일(박막) 위에서 그래핀을 성장시키는 화학기상증착법(CVD)을 통한 고성능 합성 연구가 전 세계에서 활발히 진행됐다. 그러나 부분적으로 여러 층의 그래핀이 중첩된 적층 구역이 항상 존재해, 전기적 특성이 층수에 따라 민감하게 변하는 그래핀의 물성을 최대한 살려내지 못했다.

연구진은 시중에 판매되는 구리 호일이 다량의 탄소 불순물을 함유해 적층이 생성된다는 사실을 밝혀냈다. 탄소 불순물은 구리 호일의 표면부터 300nm 깊이까지 포함돼있었다. 연구진은 구리 호일 제조 과정에 사용되는 탄화수소 기반의 윤활제가 구리 표면에 잔여해 불순물을 남겼을 것이라고 예측, 탄소 불순물을 모두 제거한 구리 호일을 이용해 완전한 원자 한 층의 대면적 그래핀을 제조하는 데 성공했다.

이에 연구진은 더욱 우수한 성능을 가진 한 층의 단결정 그래핀을 생산하기 위해 추가적인 실험을 진행했다. 단결정 그래핀은 소자 전체에 탄소가 규칙적으로 배열된 그래핀으로, 방향이 각기 다른 단결정 그래핀의 집합체인 다결정 그래핀보다 우수한 전기적 특성을 띤다.

탄소 불순물을 제거한 구리 호일에서 단결정 그래핀은 군데군데 접힌 형태로 성장한다. 접힌 부분 사이에서 생산된 그래핀은 적층 구역이 없으며 결정 사이에 존재하는 경계면인 결정립계도 없는 완벽한 단결정을 이뤘다.

연구진은 물질 내 전하 입자의 이동 가능성을 나타내는 지표인 '캐리어 이동도'를 분석했다. 캐리어 이동도가 높을수록 저항이 작아 최고성능의 전력 이용성능을 보인다. 그 결과 새로 개발된 소재에서 기존의 그래핀보다 4배 이상 우수한 성능을 나타냈다.
 
이번 연구는 기존의 적층과 결정립계 형성 문제를 동시에 해결했다는 의의가 있다. 새로 개발된 그래핀은 고배율 투과 전자현미경의 지지판, 고성능 센서, 초고속 반도체 등 다양한 산업분야에서 활용될 것으로 기대된다.

로드니 루오프 단장은 "한 층의 대면적 그래핀 합성 연구는 향후 산업계에서 유용하게 사용될 것"이라고 언급하며 "국소적으로 존재하는 접힌 부분의 발생원인을 밝혀내고 이를 최소화한 완벽한 그래핀을 합성하는 연구를 현재도 계속하고 있다"고 전했다.

연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)' 7월 2일 자에 게재됐다.

연구진이 제조한 단결정·다결정 원자 한 층 그래핀. <사진=IBS 제공>연구진이 제조한 단결정·다결정 원자 한 층 그래핀. <사진=IBS 제공>
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