꿈의 물질 그래핀 생산 '양과 질' 두 마리 토끼 잡았다

2019.03.10 13:33
안종열 성균관대 물리학과 교수와 김현우 박사과정생 연구팀은 그래핀을 생산할 때 양과 질 모두를 잡을 수 있는 기술을 개발했다고 10일 밝혔다. 한국연구재단 제공
안종열 성균관대 물리학과 교수와 김현우 박사과정생 연구팀은 그래핀을 생산할 때 양과 질 모두를 잡을 수 있는 기술을 개발했다고 10일 밝혔다. 한국연구재단 제공

국내 연구진이 신소재로 각광받는 그래핀을 생산할 때 양과 질 모두를 잡을 방법을 알아냈다.

 

안종열 성균관대 물리학과 교수 연구팀은 방향성을 갖지 않는 기판인 비정질의 얇은 막 위에 한 방향만 갖는 고품질의 그래핀을 성장시키는 기법을 개발했다고 10일 밝혔다.

 

탄소원자가 벌집 구조로 결합된 2차원 물질인 그래핀은 전기전도성과 열 전도성이 뛰어나고 투명해 꿈의 나노물질로 여겨진다. 그래핀을 제조하는 기법은 크게 두 가지다. 2006년에 발표된 탄화규소에서 자연 성장시키는 방법과 2008년에 발표된 금속 위에서 화학 기상 증착법(CVD)를 이용하는 것이다.

 

문제는 두 기법이 그래핀을 제조할 때 고품질과 고생산성을 동시에 갖지 못하는 점이다. 자연 성장법은 고품질의 그래핀을 만들 수 있으나 그래핀을 다른 곳으로 옮기는 것이 어렵다. CVD는 그래핀을 대량 생산할 수 있고 다른 판 위로 옮기기도 쉽다. 하지만 그래핀을 제조하는 기판이 방향성을 갖지 않으면 생산이 어렵고 그래핀의 질 자체도 떨어지는 단점을 안고 있다.

 

연구팀은 그래핀이 기판의 방향성이나 질에 상관없이 자라날 수 있도록 ‘에피택시’기법을 썼다. 특정한 결정 구조를 갖는 기판 위에 다른 형태의 결정 구조물을 성장시키는 방법이다. 연구팀은 방향성이 없는 비정질의 탄화규소(SiC) 기판 위에 팔라듐을 증착시켜 규화팔라듐(PdSi)으로 얇은 막을 만들었다. 이 위에 탄소들을 그래핀으로 자라게 했더니 단방향을 갖는 고품질의 그래핀을 얻을 수 있었다.

 

연구팀은 방향성이 없는 비정질의 탄화규소(SiC) 기판 위에 팔라듐을 증착시켜 규화팔라듐(PdSi)으로 얇은 막을 만들었다. 이 위에 탄소들을 그래핀으로 자라게 했더니 단방향을 갖는 고품질의 그래핀을 얻을 수 있었다. 한국연구재단 제공
연구팀은 방향성이 없는 비정질의 탄화규소(SiC) 기판 위에 팔라듐을 증착시켜 규화팔라듐(PdSi)으로 얇은 막을 만들었다. 이 위에 탄소들을 그래핀으로 자라게 했더니 단방향을 갖는 고품질의 그래핀을 얻을 수 있었다. 한국연구재단 제공

지금까지 에피택시 기법은 방향성이 있는 기판 위에 그래핀을 성장시켜야 했다. 하지만 방향성이 있는 기판은 전기적 성질을 갖고 있어 위에서 키운 그래핀을 떼어내 옮기기가 어려웠다. 반면 이번 연구에서 얻은 그래핀은 전기적 특성을 갖지 않는 비정질 기판에 키워 옮기기도 쉬워졌다.

 

안 교수는 “그래핀을 포함한 다양한 단결정 성장 방법론 개발에서 근본적 한계를 극복한 것”이라며 “전이가 쉬운 그래핀을 이용하면 그래핀의 질이 중요한 후속연구가 쉬워질 것”이라고 말했다.

 

연구결과는 지난달 26일 국제학술지 ‘미국화학회(ACS) 나노’에 실렸다.

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