꿈의 신소재 '단결정 그래핀' 속도 10배 높일 방법 개발

2018.05.24 18:57

'꿈의 신소재'로 불리는 그래핀을 기존보다 10배 빨리 만드는 방법이 개발됐다. 

 

UNIST(울산과학기술원)는 자연과학부 로드니 루오프 특훈교수(IBS 다차원 탄소재료 연구단장)의 연구팀이 '단결정 구리-니켈 합금 포일(foil)'을 이용해 단결정 그래핀의 성장 속도를 약 10배 이상 높일 수 있는 기술을 개발했다고 24일 밝혔다. 

 

이미지 확대하기UNIST 자연과학부의 로드니 루오프 특훈교수(IBS 다차원 탄소재료 연구단장)의 연구팀은단결정 구리-니켈 합금 포일(foil)을 이용해 단결정 그래핀의 성장 속도를 약 10배 이상 높일 수 있는 기술을 개발했다. 사진은 로드니 루오프 특훈교수 연구팀 모습 - UNIST 제공
UNIST 자연과학부의 로드니 루오프 특훈교수(IBS 다차원 탄소재료 연구단장)의 연구팀은'단결정 구리-니켈 합금 포일(foil)'을 이용해 단결정 그래핀의 성장 속도를 약 10배 이상 높일 수 있는 기술을 개발했다. 사진은 로드니 루오프 특훈교수 연구팀 모습 - UNIST 제공

연구팀에 따르면 현재까지 그래핀 제작에 많이 쓰는 공정인 화학기상증착법(CVD)에서는 주로 다결정 구리 기판을 촉매로 사용했다. 

 

촉매인 구리 위에 메탄(CH₄)과 수소(H₂) 혼합 가스를 흘리면, 탄소(C)만으로 이뤄진 그래핀이 형성된다. 이때 바탕이 되는 구리의 결정 방향(crystal orientation)이 다양하므로 그래핀 역시 결정의 방향이 여럿인 ‘다결정 그래핀’으로 자라난다.
 
하지만 다결정 그래핀은 탄소 원자로 이뤄진 결정립(crystal grain)들이 서로 어긋나, 그래핀의 우수한 전기전자도와 전하이동도 등의 특성이 저하될 수 있다. 이에 과학자들은 결정이 한 방향으로 정렬된 단결정 그래핀을 만들어 그래핀의 특성을 올곧게 활용할 방법을 찾아왔다.

 

루오프 교수팀은 단결정 포일에 니켈을 더한 '구리-니켈 단결정 합금 포일'을 만들고 이를 기판으로 사용했다. 이때 구리-니켈 합금 포일의 표면에는 구리 원자 6개마다 니켈 원자 1개가 규칙적으로 존재하는 구리-니켈 초격자구조(Cu₆Ni superstructure)가 형성된다.

 

밍 후앙 연구원는 "밀도함수이론(Density Functional Theory, DFT)으로 계산한 결과, 니켈이 첨가되면서 그래핀의 원료인 메탄(CH₄) 분해에 필요한 에너지가 크게 감소했다"며 "그 덕분에 구리(111) 기판에서 약 60분 동안 성장시킨 면적의 그래핀을 구리-니켈 합금 기판 위에서는 5분 만에 만들 수 있었다"고 밝혔다. 

 

루오프 교수는 "그래핀 접힘선은 그래핀과 금속 기판의 서로 다른 열수축 때문에 생기는 압축응력이 원인"이라며 "특히 그래핀 섬이 만나는 지점에서 압축응력이 집중되면서 접힘선이 발생하는데, 이번에 처음으로 접힘선의 존재를 제대로 확인했다"고 말했다. 

 

그는 이어 "이번 연구에서는 구리-니켈 단결정 포일의 표면 초격자구조를 규명하고, 이를 이용한 그래핀의 고속 성장과 그래핀 접힘선의 3층 구조를 세계 최초로 규명했다"며 "특히 그래핀 섬들이 결합하면서 나타나는 현상은 다른 2차원 재료와 박막 연구에 도움이 될 것"이라고 강조했다.

 

이 연구는 ACS Nano 5월 23일자에 실렸다. 

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