 그래핀 특성 향상시킬 단방향 정렬 기술
생산성와 질적 우수성, 두 마리 토끼 잡다
그래핀은 두께가 약 0.2㎚에 불과하지만 기계적 강도가 강철의 200배로 잘 부러지지 않으면서도 유연해 잘 휘어진다. 구리보다 10배 더 전기가 잘 통하고 실리콘보다 전자 이동 속도가 100배 빨라서, 다양한 전기·전자 산업 분야에 활용될 수 있는 나노 물질 신소재로 각광받고 있다. 그런데 그래핀의 특성을 효과적으로 활용하려면 이 신소재를 한 방향으로 정렬시켜 단결정 구조로 성장시켜야 한다. 이와 관련한 기술이 국내 연구진에 의해 활발히 개발되고 있어 소개하고자 한다.
정리 김경한 기자│자료 한국연구재단, UNIST, 성균관대학교
다결정 그래핀은 탄소 원자로 이뤄진 결정립(crystal grain)들이 서로 어긋나, 그래핀의 우수한 전기전자도와 전하이동도 등의 특성을 저하시킬 수 있다고 한다. 이에 과학자들은 결정이 한 방향으로 정렬된 단결정 그래핀을 만들어 그래핀의 특성을 온전히 활용할 방법을 찾아왔다.
UNIST 자연과학부의 로드니 루오프 특훈교수 연구팀은 단결정 구리-니켈 포일을 이용해 고속으로 단결정 그래핀을 성장시키는 기술을 개발했다.
한편, 성균관대학교 물리학과의 안종열 교수 연구팀은 방향성이 존재하지 않는 기판인 비정질 박막 위에서 한방향만 가지는 그래핀을 성장시켰다.
단방향 정렬로 단결정 그래핀 10배 고속 제작
다결정 구리 대신 단결정 구리-니켈 포일 이용
UNIST는 최근 그래핀의 특성이 제대로 발휘되는 ‘단결정 그래핀’을 빠르게 만드는 방법이 나왔다고 발표했다. 이 연구가 주목받는 이유는 그래핀을 전자소자에 응용하기 위한 중요한 기술로 기대되기 때문이다.
UNIST 자연과학부의 로드니 루오프 특훈교수(IBS 다차원 탄소재료 연구단장) 연구팀은 ‘단결정 구리-니켈 합금 포일(foil)’을 이용해 단결정 그래핀의 성장 속도를 약 10배 이상 높일 수 있는 기술을 공개했다.
 [그림 1]구리-니켈(111) 단결정 합금 포일과 이를 이용해 정렬된 단일층 그래핀의 성장 공정 개념도(위). 단결정 그래핀 섬과 단결정 그래핀 필름의 주사 전자현미경(scanning electron microscopy) 사진들(아래).
현재까지 그래핀 제작에 많이 쓰는 공정인 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)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 루오프 특훈교수 연구진은 다결정 그래핀이 전기전자도와 전하이동도를 저하시킬 수 있다는 사실에 주목, 단결정 그래핀을 만드는 연구를 거듭해 왔다. 제1저자인 밍 후앙 UNIST 신소재공학부 박사과정 연구원(IBS 다차원 탄소재료 연구단 소속)은 “최근 그래핀과 격자 구조가 비슷한 ‘구리(111) 단결정’을 기판으로 쓰는 에피택시(epitaxy) 방식이 시도되고 있다”며 “바탕이 되는 구리(111)의 결정 방향이 일정하고, 격자 구조가 비슷해 단결정에 가까운 그래핀을 성장시킬 수 있다”고 설명했다.
루오프 교수팀은 여기서 한 발 더 나아가 구리(111) 단결정 포일에 니켈을 더한 ‘구리-니켈(111) 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(CusNi superstructure)가 형성된다.
밍 후앙 연구원은 “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(111) 합금 기판 위에서는 5분 만에 만들 수 있었다”고 밝혔다.
또한 연구팀은 그래핀 단일층에서 약 40㎚(10억 분의 1m) 넓이의 접힘선(fold)을 발견했다. 이 선들은 대략 20㎛(1백만 분의 1m) 간격으로 서로 평행하게, 금속 기판에 있는 줄무늬(step edge)에는 수직하게 나타났다. 루오프 교수팀은 그래핀 성장이 완성되지 않았을 때 듬성듬성 생기는 그래핀 섬(graphene islands)들이 서로 결합되는 영역에서 그래핀 접힘선이 형성되는 장면을 고분해능 투과전자현미경으로 관찰했다.
 [그림 2] 그래핀 섬의 접합부에서 관찰된 접힘선의 고분해능 투과전자현미경 사진들: 그래핀의 접힘선은 위 개념도에 나타난 것과 같은 3층 그래핀 구조로 이뤄지게 된다. 투과전자현미경 사진에서 1L 표시된 영역은 단일층 그래핀, 3L로 표시된 영역은 3층 그래핀, 2L로 표시된 부분은 3층 그래핀이 전자빔에 의해 1층이 깎이면서 나타난 영역이다.
이 현상은 열에 대한 그래핀과 금속의 부피 변화량이 달라서 나타난다. 금속 기판은 고온에서 팽창하고 냉각 시 크게 줄어든다. 하지만 고온에서 늘어난 금속 기판에서 성장한 그래핀은 냉각 시에도 별로 변하지 않는다. 이 때문에 냉각 시 그래핀에 주름지듯 접힘선(3층 구조)이 나타나는 것이다.
루오프 교수는 “그래핀 접힘선은 그래핀과 금속 기판의 서로 다른 열수축(thermal contraction) 때문에 생기는 압축응력(compressive stress)이 원인”이라며 “특히 그래핀 섬이 만나는 지점에서 압축응력이 집중되면서 접힘선이 발생하는데, 이번에 처음으로 접힘선의 존재를 확인했다”고 말했다.
이어 그는 “이번 연구에서는 구리-니켈(111) 단결정 포일의 표면 초격자구조를 규명하고, 이를 이용한 그래핀의 고속 성장과 그래핀 접힘선의 3층 구조를 규명하는 성과를 달성했다”며 “그래핀 섬들이 결합하면서 나타나는 현상은 다른 2차원 재료와 박막 연구에 도움이 될 것”이라고 연구 의미를 짚었다.
이번 연구 결과는 나노 분야의 저명한 국제학술지인 에이씨에스 나노(ACS Nano) 지난해 5월 23일자에 게재됐다.
방향성 없는 기판서 단방향 그래핀 성장
단결정 성장법 개발의 근본적 한계 극복
성균관대학교 물리학과의 안종열 교수 연구팀은 최근 그래핀의 질과 생산성, 두 마리 토끼를 모두 잡는 성장방법을 제시했다. 방향성이 존재하지 않는 기판인 비정질 박막 위에서 단방향의 그래핀이 성장하는 방법을 개발함으로써 이를 실현한 것이다.
 [그림 3] 탄화규소 기판 위의 비정질 필름 위에서 제작된 단방향의 그래핀을 주사 투과 전자 현미경(Scanning transmission electron microscopy)으로 본 그림
탄소원자로 이뤄진 그래핀은 전기전도성, 열전도성, 투명성 등의 우수한 물성으로 인해 꿈의 나노물질로 여겨지고 있다. 하지만 현재까지의 그래핀 성장 방법으로는 그래핀의 질이 낮아지거나, 다른 기판으로 옮기기 쉽지 않아 생산성이 낮은 한계가 있다.
안종열 교수팀은 비정질 박막 위에서 그래핀을 성장시킴으로써, 질적 우수성을 높이고 다른 기판으로의 전이도 용이하도록 했다. 이들은 비정질의 탄화규소 위에 팔라듐을 증착시키고, 남은 탄소들이 그 위에 자연스럽게 단방향을 가진 그래핀으로 성장하도록 유도했다.
그래핀을 포함한 한 방향의 단결정 물질을 성장시키기 위해서 사용하는 기판도 단결정이어야 한다는 일반적인 통념을 깬 것이다.
연구팀은 그래핀이 전기적 특성을 가지지 않는 비정질 위에 있음으로써 그 동안 에피택시 성장방법에서 문제가 됐던 전이 방법에도 큰 효과가 있다는 것을 확인했다. 이번 연구로 전이가 쉬운 에피택시한 그래핀을 이용해 자기적 특성, 광학 특성, 초전도 현상, 전자구조 현상, 전기적 현상 등 질이 중요하고 기판에 자유로운 그래핀의 물성들을 후속연구로 이어갈 수 있을 것으로 기대된다.
안종열 교수는 “이 연구가 비정질 박막에서 단결정 그래핀을 성장시킴으로써, 그래핀을 포함한 다양한 단결정 성장 방법론 개발에서의 근본적인 한계를 극복했다”라고 연구 의의를 설명했다.
이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 원자력연구개발사업, 기초연구사업(중견연구)의 지원으로 수행됐다. 연구결과는 세계적인 나노 분야 국제학술지인 에이씨에스 나노(ACS Nana) 2월 26일자 논문으로 게재됐다.
<Energy News>
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