스트레스가 다재다능한 그래핀 만든다

2019.11.07 13:59
연구팀이 그래핀을 형성할 때 구리 기판 표면의 결정구조에 따라 반응성을 분석한 결과. 라만분광법을 이용해 구리 001과 110, 111 등 결정구조에 따라 실험했다. 그 결과 구리 111 표면에서 가장 빠르고 균일하게 반응이 일어났다(맨 윗줄). UNIST 제공
연구팀이 그래핀을 형성할 때 구리 기판 표면의 결정구조에 따라 반응성을 분석한 결과. 라만분광법을 이용해 구리 001과 110, 111 등 결정구조에 따라 실험했다. 그 결과 구리 111 표면에서 가장 빠르고 균일하게 반응이 일어났다(맨 윗줄). UNIST 제공

탄소가 육각형 벌집 구조로 이어진 얇은 탄소막 '그래핀'에 하이드록시기, 아미노기, 카르복실기 같은 기능기를 더하면 특성이 다양해져 여러 분야에 활용할 수 있다. 화합물의 성질은 기능기에 따라 달라지기 때문이다. 최근 국내 연구팀이 이런 반응을 촉진할 수 있는 새로운 방법을 찾았다. 

 

울산과학기술원(UNIST)은 그래핀에 기능기를 달아 합성할 때, 그래핀이 합성되는 구리기판의 표면 결정 방향이 반응속도와 균일도에 영향을 준다는 사실을 알아냈다고 7일 밝혔다. 

 

그래핀은 주로 화학기상증착법으로 합성한다. 원하는 물질이 든 기체를 반응기 안에 넣어 열과 플라즈마로 분해시키는 방식으로, 기판 위에 원하는 물질로 막을 형성하는 기술이다. 높은 온도에서 기체 원료가 금속 기판을 만나 분해되고, 분해된 탄소들이 다시 결합하면서 그래핀이 형성된다. 이때 원료 물질의 화학적 조성, 금속 기판의 종류, 결정성 등이 그래핀의 성질을 결정한다.

 

로드니 루오프 UNIST 자연과학부 교수(IBS 다차원탄소재료연구단장)팀은 구리 기판 표면의 결정구조에 주목했다. 구리 금속은 원자들이 규칙적인 배열을 이루며 쌓인다. 그런데 같은 구리 금속이라도 어떤 방향으로 자르느냐에 따라 단면(표면)의 결정구조가 다를 수 있다. 수박을 가로로 잘랐을 때와 세로로 잘랐을 때 모양이 다른 것과 비슷하다. 

 

연구팀은 구리 001과 110, 111 등 결정구조가 다른 세 종류의 구리 기판 위에서 그래핀을 합성했다. 그 결과 구리 111의 표면에서 일어나는 반응이 가장 균일하고 빨랐다. 구리 111의 표면에서 성장한 그래핀은 다른 구리 기판에서 자란 것보다 압축변형이 잘 일어나고, 기능기와 합성되는 반응(기능화 반응)도 더 잘 일어났다. 이때 내부 스트레스에 따른 압축변형 정도가 클수록 반응에 필요한 에너지가 적어진다는 사실도 확인냈다. 구리 기판에서 스트레스를 받을수록 그래핀의 기능화 반응도 잘 일어났다.

 

루오프 교수는 "이번 연구결과를 활용하면 구리 기판에서 그래핀을 형성하는 데 기존보다 쉽게 그래핀의 특성을 조절할 수 있을 것"이라고 밝혔다. 이 연구 결과는 국제학술지 '재료화학' 온라인판 10월 17일자에 실렸다.

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